Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время проблема создания эффективных автоматизированных пациент-ориентированных информационных систем в медицине, образовании и социальной сфере является весьма актуальной. Задача формирования доступной среды для лиц с ограниченными возможностями здоровья на местах предполагает необходимость создания специальных технических и программных средств реабилитации на базе программно-аналитической и информационной среды.
На сегодняшний день отсутствует единая информационная инфраструктура, которая позволила бы реализовать и внедрить инновационные модели осуществления научной, образовательной, физкультурно-реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов их семей. Весь необходимый функционал по автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья реализуется тремя автономными системами: системой взаимоотношения с социальными службами и работодателями, системой обучения и системой комплексной реабилитации.
Проблема создания единой многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья (САТП ЛОВЗ) наталкивается на необходимость обработки значительных потоков информации с различными дисциплинами обслуживания, приоритетами и т.д.
Выполнение заданных требований реализуется с помощью различных приоритетных дисциплин обслуживания запросов с приоритетами, изменяющимися динамически и управляемым временем ожидания. При этом наиболее критичными для программного обеспечения САТП ЛОВЗ являются характеристики надёжности обслуживания и скорости обработки данных. В целях обеспечения требуемых значений указанных характеристик целесообразно представить САТП в виде совокупности систем или сетей массового обслуживания (СМО или СеМО), исследовать их параметры (приоритет, время ожидания, длина и т.п.), алгоритмы и дисциплины обслуживания. Теоретические основы создания автоматизированных информационных систем в предметной области, средств обработки информационных потоков на основе теории очередей и массового обслуживания заложены в трудах Уйэла Н., Mark S. Dopfman, G. Rejda, S. Breidenbach, Прохорова Н.Л., Рейзмана Я.А., Д. Кендалла, Д. Литтла, Д. Кокас, В. Смита, Ф.Келли, Р. Ховарда, Хинчина А. Я., Башарина Г.П., Лившица Б.С.
Однако, все они связаны с изучением отдельных аспектов автоматизации, не затрагивающих важных процессов обработки больших массивов данных. Возникающие при этом проблемы повышают требования к характеристикам обслуживания: необходимо, в частности, обеспечить заданные (требуемые) параметры - время задержки, время обслуживания, длину очереди запросов и т.п., особенно при изменении внешних условий (в случае перегрузки и в нештатных ситуациях).
Существующие в настоящее время решения, такие как аппаратно-программные комплексы для социальной адаптации лиц с ограниченными возможностями здоровья (ООО «Терминал Столица»), программное обеспечение для программирования роботов с функцией обучения конструированию и программированию ПервоРобот NXT (Россия, для дистанционного обучения), Hardware-software complex "Dashpoint" for learning and communication of deafblind people и др. являются узкоспециализированными и ориентированы либо на процессы дистанционного обучения, либо реабилитации.
Таким образом, актуальной является проблема создания автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и социальной реабилитации, обучению, взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.
Целью диссертации является создание теоретических и практических подходов, позволяющих впервые в рамках одной автоматизированной системы реализовать инструментарий осуществления социальной, образовательной, физкультурно-реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов их семей. Реализация системы основывается на разработке информационной и математической модели ее функционирования в условиях разнообразных типов данных и топологий сетей, алгоритмов эффективного управления динамическими приоритетными очередями и специализированным таймером.
В соответствии с указанными целями в работе решаются следующие задачи:
анализ возможности создания автоматизированных систем для технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ;
разработка информационной потоковой модели системы;
разработка алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания;
разработка методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчётно-аналитическим способом;
имитационное моделирование системы в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием запросов;
программная реализация разработанных моделей, методики и алгоритмов в составе многоцелевой САТП ЛОВЗ «Доступная среда»;
экспериментальная оценка эффективности предложенных подходов.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию сложных систем, ключевые положения кибернетики, общей теории систем и теории очередей. При решении конкретных задач использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области теории случайных процессов, имитационного моделирования, теории вероятностей, математической статистики, теории графов.
Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических решений, направленных на создание автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и социальной реабилитации, обучению, взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:
Для обоснования возможности реализации системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья разработана информационная потоковая модель системы, позволяющая оценить загрузку компонентов системы.
Разработаны математические модели системы, направленные на исследования характеристик и свойств различных дисциплин обслуживания (ДО): бесприоритетное обслуживание (БП), обслуживание с относительными (ОП), абсолютными (АП) и динамически изменяемыми приоритетами (ДП).
Созданы алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся условиях, включающие: алгоритм постановки в очередь; алгоритм выталкивания из очереди; алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру.
Предложена методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования системы расчетно-аналитическим способом.
Разработана методика имитационного моделирования САТП ЛОВЗ.
Программно реализована система автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ «Доступная среда», включающая три подсистемы: межведомственную электронная приёмная инвалида (МЭПИ); интегрированную систему комплексной реабилитации инвалидов (ИСКРИ); автоматизированное рабочее место индивидуального обучения (АРМИО).
Научная новизна полученных результатов работы подтверждена свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2009612669, № 2010611539, № 2012611462, зарегистрированных в РОСПАТЕНТ 27.05.2009, 24.02.2010, 07.02.2012.
Достоверность полученных результатов определяется корректным применением теории массового обслуживания и теории очередей, подтвержденных данными имитационного моделирования САТП ЛОВЗ. Теоретические предложения и расчеты автора в соответствии с впервые выведенными математическими моделями характеризуются высокой степенью сходимости с результатами имитационного моделирования и опытной эксплуатации системы.
Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение разработанных моделей, методики и алгоритмов для реализации и масштабирования САТП ЛОВЗ. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программной реализации. Самостоятельное практическое значение имеют:
-
Имитационная модель САТП ЛОВЗ.
-
Алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания.
-
Методика расчета предельных значений результатов имитационного моделирования, позволяющая заменить итерационный подход на расчётно-аналитический, значительно ускоряющий процесс моделирования.
-
Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» на основе разработанных моделей, методики и алгоритмов.
В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенные алгоритмы управления очередями обеспечивают сокращение времени обработки запросов в 2,6 раза, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания на 45% и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках в 3,8 раза, уменьшение максимальной загрузки компонентов системы в 1,76 раза.
Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы в ОСОО «Союз «Чернобыль России», в НИР и НИОКР, а также учебный процесс НИУ «МИЭТ».
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Главными из них являются
-
Разработка имитационной потоковой модели системы.
-
Разработка математической модели современной САТП ЛОВЗ в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием.
-
Создание алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями, обеспечивающих: независимость времени обработки запроса от длины очереди, возможность ожидания нескольких событий в различных очередях, возможность динамического изменения приоритета независимо в различных очередях, ограничение времени ожидания.
-
Разработка и апробирование методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчетно-аналитическим способом.
-
Имитационное моделирование и оценка эффективности функционирования САТП ЛОВЗ.
-
Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» в виде интегрированного комплекса из трех подсистем со встроенным диспетчером динамических приоритетов.
Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» и являлась составной частью исследовательских мероприятий НИОКР «Комплекс программ для защиты пользователей Интернета от нежелательного контента» № 2902/409 от 07.09.2009 и НИР «Разработка многопараметрической информационной системы динамического управления нестационарными логистическими потоками» в рамках госконтракта 16.740.11.0130 от 02.09.2010 Минобрнауки России.
Все работы по программной реализации проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Теория вычислительных процессов», «Технология разработки программного обеспечения», «Теория языков и методов трансляции», читаемых для старших курсов специальностей № 230105.65, 230105.62, 230105.68
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:
-
Информационная потоковая модель, определяющая среднее время реализации отдельных процессов и пропускную способность САТП ЛОВЗ.
-
Математическая модель САТП ЛОВЗ, описывающая систему со
сложной динамикой в условиях разнообразных типов данных и топологий сетей. -
Алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся
условиях, включающие:
алгоритм постановки в очередь;
алгоритм выталкивания из очереди;
алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру.
-
Методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования, заменяющая итерационный подход на расчётно-аналитический, что значительно ускоряет процесс моделирования.
-
Результаты имитационного моделирования системы, подтверждающие сокращение времени обработки запросов, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках.
-
Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» на основе разработанных моделей, методики и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности функционирования и надёжности обслуживания запросов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всесоюзная научно-техническая конференция «Современное состояние и тенденции развития отечественных МСВТ» (Москва 1990г.);
II Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 23-24 ноября 1995г.);
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 29-30 ноября, 2007);
VI-Международная научно-практическая конференция СКФ МТУСИ «ИНФОКОМ-2013» (22-27 апреля, 2013).
По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложений. В приложениях приведены фрагменты листингов разработанного программного обеспечения и документы о внедрении. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц машинописного текста с приложениями, 10 таблиц и 23 рисунка.
