Разработка и исследование методов применения систем поддержки принятия решений на основе нечетких моделей в задачах проектирования информационно-вычислительных сетей

Актуальность темы

исследования. Развитие технологий, используемых в производственных и информационных процессах, ведет к необходимости создания все более быстродействующих и сложных вычислительных сетей, обеспечивающих необходимое качество услуг для различных нужд предприятий. Постоянное повышение требований к быстродействию и качеству предоставляемых сетями услуг, быстро изменяющийся спектр сетевого оборудования, протоколов, появление новых технологий и программного обеспечения, а также острая конкуренция на рынке предоставления услуг системной интеграции определяет повышенные требования к процессу проектирования вычислительных сетей с целью снижения издержек и ускорения процесса проектирования.

Анализ проектных процедур, используемых сетевыми интеграторами, показывает, что процесс проектирования вычислительной сети в большой степени основывается не на формальных методах, а на опыте и интуиции разработчиков. Это обуславливается тем, что начальные этапы проектирования вычислительной сети (ВС), предусматривающие выбор технических и программных средств, топологии, иерархии сети и системы протоколов, с одной стороны, требуют учета большого числа параметров, определяющих качественные и количественные показатели вычислительной сети, а с другой, проходят в условиях неполной и неточной начальной информации.

Существующие системы проектирования вычислительных сетей ограничиваются имитационным моделированием физических моделей сетей, оставляя системному интегратору синтез и оптимизацию модели сети. Класс задач структурного и параметрического синтеза ВС относится к NP-полным задачам принятия решений, и в условиях неточности и неопределенности формализовать их выполнение традиционными аналитическими методами не представляется возможным. На практике начальные этапы проектирования ВС сводятся к итеративному процессу интуитивного выбора разработчиком конфигурации сети и оборудования, построения имитационной модели, оценки результатов моделирования и коррекции параметров модели.

Учитывая вышесказанное, представляется актуальным разработка методов и средств, автоматизирующих выполнение задач начальных этапов проектирования ВС, таких, как синтез топологии и иерархии сети, параметрический синтез технических и программных средств, принимая во внимание как специфику самих ВС, так и процесса их проектирования. Перспективным подходом к решению подобных задач является использование интерактивных человеко-машинных систем поддержки принятия проектных решений, позволяющих проводить этапы структурного и параметрического синтеза проектных решений на основе экспертных оценок и суждений с учетом опыта, знаний и предпочтений разработчиков проекта. Специфика исследуемой проблемной области обуславливает необходимость интегрированного подхода к построению интеллектуальных систем поддержки принятия решений, позволяющего рационально сочетать математические и логические методы исследования сложных систем, интуицию и опыт проектировщика с использованием новых методов представления знаний, прогноза и оценки альтернативных вариантов решений.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является исследование и разработка методики применения систем поддержки принятия решений на основе нечетких моделей в задачах начальных этапов проектирования информационно-вычислительных сетей и практическая реализация разработанной методики в виде инструментального программного обеспечения, позволяющего автоматизировать начальные этапы проектирования корпоративных вычислительных сетей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

• Исследование моделей представления знаний в интеллектуальных системах, анализ методов и принципов применения интеллектуальных систем для решения задач проектирования сложных информационных систем.

• Исследование особенностей корпоративных вычислительных сетей (КВС) и возникающих при их проектировании задач, анализ возможности применения систем поддержки принятия решений (СППР) на основе нечетких моделей для решения задач начальных этапов проектирования ВС.

• Разработка методики автоматизации начальных этапов проектирования ВС на основе СППР и системы имитационного моделирования, разработка методов взаимодействия СППР с системой имитационного моделирования ВС и лицом, принимающим решение (ЛПР), в процессе проектирования ВС.

• Разработка инструментального программного обеспечения системы автоматизированного проектирования ВС на основе предложенной методики, экспериментальное исследование и анализ эффективности предложенной методики проектирования ВС, определение критериев и ограничений ее применения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в данной работе использовались понятия и методы математической логики, теории множеств, теории графов, элементы L-исчисления, системного анализа, формальной семантики языков, современные методологии построения программных комплексов, систем и системного программирования, совокупность методов, обобщенных направлением «мягкие вычисления»: аппарат нечетких множеств, нечеткой алгебры и нечеткой логики, теория возможностей, нейросетевые технологииметоды теории вероятности, теории массового обслуживания и имитационного моделирования.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• Предложены принципы построения и применения систем поддержки принятия решений в задачах проектирования вычислительных сетей, обосновано применение нечетких моделей и аппарата нечеткой логики в системах поддержки принятия решений применительно к задачам проектирования корпоративных вычислительных сетей.

• Разработана методика решения общей задачи проектирования ВС, включающая метод нечеткой декомпозиции общей задачи проектирования ВС на ряд локальных подзадач проектирования сегментов сети.

• Разработаны нечеткие модели представления экспертных знаний для решения локальных подзадач проектирования ВС.

• Разработаны методы интеграции системы моделирования и системы поддержки принятия решений, разработан и апробирован метод определения качества получаемого проекта ВС.

Практическая значимость. В данной работе в качестве объекта проектирования исследуется наиболее распространенный класс ВС — сети масштаба предприятия (корпоративные ВС), с соответствующими параметрами работы, задержек, типами передаваемого трафика и требованиями к надежности и безопасности. Предлагаемая методика проектирования ВС позволяет эффективно, при взаимодействии системы с разработчиком (ЛПР), решать задачи, возникающие на начальных этапах проектирования корпоративных ВС. В ходе выполнения работы создано оригинальное программное обеспечение инструментария проектирования информационно-вычислительных сетей на базе среды разработки экспертных систем Fuzzy Expert, доведенное до уровня исследовательского прототипа. Общий объем разработанного программного обеспечения инструментария составляет около 30 000 строк кода на языках С++, JavaScript, FCL и IDL. Часть инструментария (экспертная среда Fuzzy Expert) зарегистрирована в отделе регистрации программ ЭВМ, баз данных и топологий ИМС Федерального института промышленной собственности РОСПАТЕНТа (свидетельство № 2 002 611 146 от 09.07.2002).

Практическая ценность состоит в том, что разработанные методики, модели и алгоритмы реализованы в виде программной инструментальной среды проектирования вычислительных сетей и используются в производственных процессах Калужского филиала ОАО «ЦентрТелеком» и ОАО «КалугаЭнерго». Предлагаемая методика проектирования вычислительных сетей, а также разработанная система проектирования допускают модификации и расширения, обеспечивающие поддержку процесса проектирования различных классов вычислительных сетей.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аппарата математической логики, теорий нечетких множеств, принятия решений, графов, структур данных, полнотой и корректностью исходных предпосылок, математической строгостью доказанных утверждений и преобразований при получении аналитических зависимостей, а также результатами имитационного моделирования, практической реализации и апробации работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2006г), 11-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2005г), международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, МЭИ (ТУ), 2005г), международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, МЭИ (ТУ), 2004г), 5-м всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2002), региональной студенческой научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов» (Калуга, КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000г).

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, отражающих основные результаты работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 77 наименований и приложений. Работа, содержит 147 страниц машинописного текста содержательной части, 39 рисунков, 9 таблиц и 8 страниц библиографии.

4.3. Выводы.

• При помощи рассмотренных примеров показано, что предлагаемая методика проектирования ВС на основе СППР и использованием нечетких моделей обеспечивает выполнение этапов проектирования технической и физической моделей ВС с использованием экспертных оценок и суждений при решающей роли разработчика проекта. Разработанная на основе предлагаемой методики инструментальная среда проектирования ВС обеспечивает построение и имитационное моделирование физической модели ВС на основе функциональной модели предприятия, результаты проектирования представлены в виде карты ВС и результатов работы системы имитационного моделирования.

• Анализы результатов внедрения инструментальной среды проектирования ВС показывают, что в задачах проектирования корпоративных ВС малых и средних размерностей обеспечивается значительное снижение трудозатрат на создание имитационных моделей ВС, уменьшается время получения проектных решений ВС при аналогичном либо лучшем качестве решения. Обосновано снижение трудоёмкости выполнения проекта ввиду того, что от разработчика проекта ВС не требуется специальных знаний языка построения имитационных моделей ВС.

• Сравнительный анализ результатов выполнения проектов ВС как с использованием предлагаемой методики, так и без, показывает, что получение нескольких вариантов проектных решений с оценкой качества решения в результате выполнения проекта при помощи разработанной инструментальной среды позволяет сравнительно оценить предложенные варианты при проведении имитационного моделирования и выбрать наиболее удовлетворяющие поставленным ограничениями и критериями проектирования ВС.

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные теоретические и практические результаты:

• На основе анализа существующих методов и средств проектирования ВС были выявлены характерные особенности ВС как объекта проектирования и самого процесса проектирования ВС, определены возможности и необходимости применения СППР в задачах проектирования ВС в условиях неопределенности, проведен анализ современных принципов построения и методов применения СППР в задачах проектирования информационных систем, обосновано использование экспертных систем на основе нечетких моделей и продукционного представления экспертных знаний в задачах проектирования ВС совместно с системами имитационного моделирования ВС.

• Разработана методика решения общей задачи проектирования ВС с использованием СППР на основе нечетких моделей, включающая метод нечеткой декомпозиции общей задачи проектирования ВС на ряд подзадач проектирования сегментов ВС и метод координации нечетких решений.

• Предложены нечеткие модели решения подзадач проектирования сегментов ВС на основе экспертных оценок и знаний, разработан и апробирован метод определения качества получаемого проекта ВС.

• Определены основные этапы функционирования системы проектирования ВС, разработаны методы взаимодействия системы поддержки принятия проектных решений ВС с системами имитационного моделирования ВС, case-системой представления функциональной модели предприятия и разработчиком проекта сети.

На основе предложенных методов, методики, моделей и алгоритмов были разработаны следующие программные инструментарии и проведены исследования критериев применимости предлагаемой методики проектирования ВС:

На основе представленных методов и алгоритмов проектирования ВС, значительно доработанной в результате исследований экспертной среды Fuzzy Expert, пакетов имитационного моделирования ВС Comnet III и NS2, case-среды Rational Rose разработан программный инструментарий проектирования ВС, позволяющий на основе DFD-диаграмм, описывающих функционально-информационную модель производства, получать проектное решение в виде физической модели ВС.

Произведено проектирование сегмента ВС кафедры «Экономические информационные системы» МГУПИ, определено оптимальное наполнение базы знаний системы проектирования применительно к задачам проектирования малых корпоративных вычислительных сетей. Выполнено внедрение разработанной системы проектирования ВС в учебные и производственные процессы Калужского филиала ОАО «ЦентрТелеком» и ОАО «КалугаЭнерго», определены критерии применимости предлагаемой методики проектирования ВС в задачах проектирования ВС малой и средней размерности.

По результатам внедрения разработанной инструментальной среды проектирования ВС сделаны выводы о значительном снижении трудозатрат на процесс проектирования ВС, уменьшении времени получения проектного решения, расширении возможностей анализа получаемых решений, а также упрощении процесса создания имитационных моделей ВС.