Автоматизация управления процессами предварительной обработки данных в многопоточной среде выполнения

Лежебоков Валерий Валерьевич,

аспирант Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Камаев Валерий Анатольевич.

Одной из характерных тенденций развития научных исследований является появление и использование информационно-технических систем большой сложности. Важным классом данных систем являются автоматизированные системы мониторинга, обеспечивающие сбор и предварительную обработку данных отражающих определенные характеристики состояния объекта наблюдения с последующей их передачей конечному множеству заинтересованных клиентов. В данном контексте одной из основных задач является построение модели высокопроизводительной вычислительной системы обработки информации, обеспечивающей автоматизацию управления информационными процессами (ИП) предварительной обработки данных в многопоточной среде выполнения [Эндрюс Г.]. Учитывая перспективу возможного расширения технических систем за счет интеграции новых типов устройств, а также появление новых требований предъявляемых к процессам предварительной обработки данных масштабируемость системы должна быть заложена на этапе построения модели [Липаев В.].

На верхнем уровне управление процессами предварительной обработки данных сводится к обеспечению достижения совокупностью данных процессов заданного поведения, что обуславливает необходимость разработки модели автоматизированной системы управления информационными процессами (АСУИП). В рамках предлагаемой модели функция управления достигается за счет инкапсуляции алгоритмов внутренних информационных преобразований ИП в модуле автоматизации информационного процесса (МАИП), управляемом на основе системы событий.

Будем рассматривать автоматизированную систему в виде совокупности основных подсистем обеспечивающих выполнение определенных задач в соответствии с функциональной структурой и множества модулей автоматизации ИП:

S_N = {s^m, s^c, s^d, s^s, H},                                                                                              (1)

где: s^m – подсистема обработки сообщений; s^c – подсистема управления модулями автоматизации ИП; s^d – подсистема распределения нагрузки; s^s– подсистема доступа к конфигурации МАИП; H – множество модулей автоматизации ИП.

Концептуальное представление внутренней структуры АСУИП на уровне взаимодействия подсистем представлено на рисунке 1:

Рис. 1. Архитектура автоматизированной системы управления ИП.

В свою очередь, каждая из подсистем является сложным объектом, реализующим различную функциональность. Для подсистемы обработки сообщений это отображение множества поступающих извне информационных сигналов представленных сообщениями, на множестве событий. Подсистема управления модулями автоматизации s^c обеспечивает выработку управляющих воздействий при условии возникновения некоторого события. Подсистема распределения нагрузки s^d позволяет сконфигурировать совокупность модулей одного типа и динамически определять нагрузку на каждый из них. Подсистема s^s обеспечивает доступ к конфигурации модулей.

Подсистемой выполнения алгоритмов МАИП обеспечивается выработка управляющих воздействий направленных на инициализацию, выполнение и завершение выполнения алгоритмов модуля в многопоточной среде выполнения. Каждое из вырабатываемых в рамках отдельного потока управляющих воздействий потенциально ведет к изменению текущего состояния модуля автоматизации. Тогда, существует вероятность возникновения ситуации, при которой выработка некоторого управления a_i является недопостимым, в силу того, что состояние модуля было изменено в результате выработки в рамках параллельного потока другого управления a_j. Следовательно, перед непосредственной выработкой управления подсистема выполнения алгоритмов должна оценить допустимость выработки управления посредством анализа текущего состояния модуля.

Рис. 2. Имитационное моделирование процессов выработки управляющих воздействий.

Процессы выработки управлений в многопоточной среде выполнения могут быть смоделированы при помощи представленной на рисунке 2 раскрашенной сети Петри [Питерсон Д.]. Начальная маркировка сети определяет множество управляющих воздействий подлежащих выработке, а функции x(t), y(t), z(t) имитируют временные задержки поступления сигналов к выработке.

На практике оценка допустимости выработки управлений может быть осуществлена посредством разработки соответствующих механизмов на основе основных положений теории автоматов с использованием стандартных средств синхронизации потоков.

Прототип предложенной модели лег в основу разработки системы мониторинга состояния оборудования ускорителя элементарных частиц в европейской организации ядерных исследований ЦЕРН. Система прошла успешные испытания в рамках централизованного тестирования систем мониторинга и управления оборудованием 13 августа и 14 ноября 2008 в ЦЕРНе.

В целом полученные результаты подтвердили состоятельность рассматриваемой модели с точки зрения решения задачи предварительной обработки больших массивов данных.

Литература

1.                  Эндрюс Г. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования. М: Вильямс, 2003. – 512 с.

2.                  Липаев В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем. М.: СИНТЕН, 1999. – 224 c.

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

Поступила в редакцию 07.05.2009 г.