Введение к работе
Актуальность темы. Сложные стохастические системы с сетевой топологией возникают при исследовании процессов: организации перевозок в транспортной промышленности, предоставления каких-либо сервисных услуг в сфере обслуживания, диффузии в химической промышленности, передачи информации в сфере телекоммуникаций и других отраслях. Исследуемые системы являются сложными в плане структуры, сетевой топологии взаимосвязи между элементами и наличия стохастических процессов функционирования. Характерной чертой рассматриваемых систем является оперативность протекающих процессов и их разделение на две большие группы: процессы, основанные на взаимодействии системы с внешней средой (процессы пограничного слоя) и процессы внутреннего взаимодействия (процессы ядра). Основными процессами пограничного слоя являются: получение информации (ресурсов) из внешней среды, ее (их) обработка, классификация и формирование потоков информации (ресурсов) для дальнейшей обработки и отправления в ядро или во внешнюю среду. В ядре системы осуществляются процессы промежуточной обработки и передачи (транспортировки) информации (ресурсов).
Важнейшими показателями эффективности и качества функционирования исследуемых систем являются временные характеристики процессов ядра, пограничного слоя и системы в целом. Актуальными являются инструментальные средства в виде механизмов, методов и алгоритмов, позволяющие получать оценки временных характеристик всех рассматриваемых процессов и разрабатывать, практически реализуемые, конструктивные стратегии оптимизации управления данными процессами. Перспективным направлением разработки подобных механизмов, методов и алгоритмов является математическое моделирование. Инструментальным средствам оценки временных характеристик сложных стохастических систем с сетевой топологией на базе математического моделирования посвящены работы В.М. Вишневского, Н.Н. Моисеева, В.Г. Ушакова, Б.С. Цыбакова и других ученых. Современная специфика и бурное развитие сложных стохастических систем с сетевой топологией в различных предметных областях требуют разработки и исследования новых математических моделей, способных учесть возникающую специфику систем. Это объясняет актуальность темы исследования.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в построении математических моделей, методов и алгоритмов оптимизации временных характеристик функционирования сложных стохастических систем с сетевой топологией, программной реализации полученных алгоритмов и апробации предложенного инструментария для оценки качества обслуживания данных в телекоммуникационных системах концепции сетей последующего поколения (С11І1). Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие теоретические и практические задачи:
провести анализ перспективных направлений развития методов моделирования сложных стохастических систем с сетевой топологией;
построить математическую модель процесса обслуживания данных для компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией;
разработать алгоритм оценки временных характеристик функционирования компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией;
разработать алгоритм определения допустимости потоков в ядре сложной стохастической системы с сетевой топологией с учетом загрузки системы;
разработать алгоритм оптимального распределения потоков в ядре сложной стохастической системы с сетевой топологией с учетом загрузки системы;
создать комплекс программ по предложенным в работе алгоритмам для оценки временных характеристик функционирования компонентов телекоммуникационных систем концепции С11І1;
провести вычислительный эксперимент по подбору оптимальных параметров функционирования компонента пограничного слоя телекоммуникационной системы концепции С11І1;
провести вычислительный эксперимент по оптимизации распределения потоков в телекоммуникационной системе Воронежского филиала ОАО «ЦентрТелеком»;
9) провести вычислительный эксперимент по комплексному исследованию качества обслуживания данных в проектируемой на базе Воронежского филиала ОАО «ЦентрТелеком» телекоммуникационной системе концепции С11І1.
Объект исследования - сложные стохастические системы с сетевой топологией; предмет исследования - модели, методы и алгоритмы оптимизации временных характеристик функционирования сложных стохастических систем с сетевой топологией.
Методы исследования. В основе проведенного исследования лежат методы: системного анализа, теории сложных систем, теории массового обслуживания, теории телетрафика, линейной и нелинейной оптимизации и теории графов.
Новизна работы. В диссертации получены следующие новые научные и практические результаты:
сформирована стохастическая модель процесса обслуживания многоприоритетного потока данных для компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией;
разработан алгоритм оценки временных характеристик функционирования компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией, базирующийся на построенной стохастической модели и имитации процесса формирования очередей;
сформирована процедура подбора оптимальных параметров функционирования компонента пограничного слоя телекоммуникационной системы концепции С11І1;
разработан алгоритм определения допустимости потоков в ядре сложной стохастической системы с сетевой топологией, характеризующийся специальным подходом интеграции методов линейного программирования и теории графов;
построен алгоритм, реализующий специальный подход к оптимальному распределению потоков в ядре сложной стохастической системы с сетевой топологией, отражающий стремление пропустить большую часть потока по кратчайшим путям с учетом загрузки системы;
создан комплекс программ, реализующих предложенные в работе алгоритмы, и проведен вычислительный эксперимент по комплексному исследованию качества обслуживания данных в проектируемой телекоммуникационной системе концепции С11І1 Воронежского филиала ОАО «ЦентрТелеком».
Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований созданы методы и алгоритмы, применение которых в реальной практике позволит оптимизировать временные характеристики функционирования сложных стохастических систем с сетевой топологией.
Область исследования - содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.18 - «математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (физико-математические науки), область исследований соответствует п.2 «Развитие качественных и приближенных аналитических методов исследования математических моделей»; п.4 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов программно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента»; п.5 «Комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента»; п. 7 «Разработка новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели».
Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы
внедрены в Воронежском филиале ОАО «Ростелеком» при оптимизации работы
существующих телекоммуникационных систем и при проектировании
телекоммуникационных систем концепции СПП. Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами. Основные положения диссертации и разработанный программный комплекс используются при чтении лекций и проведении лабораторных практикумов по дисциплинам «Сети и системы телекоммуникаций», «Теория информационных процессов и систем» и «Проектирование информационных
систем» для специальности 230201 - «Информационные системы и технологии» Воронежского государственного университета.
Основные результаты, выносимые на защиту:
стохастическая модель процесса обслуживания многоприоритетного потока данных для компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией;
алгоритм оценки временных характеристик функционирования компонента пограничного слоя сложной стохастической системы с сетевой топологией, базирующийся на построенной стохастической модели и имитации процесса формирования очередей;
3) алгоритм определения допустимости и формирования оптимального
распределения потоков в ядре сложной стохастической системы с сетевой топологией,
базирующийся на интеграции методов линейного программирования и теории графов,
отражающий стремление пропустить большую часть потока по кратчайшим путям с
учетом загрузки системы;
4) комплекс программ и результаты вычислительных экспериментов по процедуре
подбора оптимальных параметров функционирования компонента пограничного слоя
телекоммуникационной системы Воронежского филиала ОАО «ЦентрТелеком»,
оптимального распределения потоков в телекоммуникационной системе Воронежского
филиала ОАО «ЦентрТелеком» и комплексному исследованию качества обслуживания
данных в проектируемой телекоммуникационной системе концепции СПП
Воронежского филиала ОАО «ЦентрТелеком».
Апробация работьг Основные результаты исследований и научных разработок
докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях:
24-й, 30-й Международной научной школе-семинаре им. С.С. Шаталина, г. Воронеж,
2001г., г. Руза, 2007г.; Международной научно-технической конференции
«Информационные средства и технологии», г. Москва, 2007г.; 2-й и 3-й Международной научной конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании», г. Екатеринбург, 2007-2008гг.; IV Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем», г. Воронеж, 2007г.; Воронежской весенней математической школе «Понтрягинские чтения - XXII», г.Воронеж, 2011г.; Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики», г.Воронеж, 2011г.; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», а также на семинарах кафедры математических методов исследования операций ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК РФ [1-3], объемом 2.3 п. л., в том числе авторский вклад 2.0п.л., получено два свидетельства об отраслевой регистрации разработки [15-16].
Личный вклад автора. Основные результаты и выводы по теме диссертации получены автором лично. Постановка задач и выбор инструментария исследования предложены научным руководителем. Разработка моделей, методов и их алгоритмизация, обоснование моделей и методов, выводы по теме исследования и их интерпретация выполнены автором лично. Программная реализация предложенных алгоритмов и проверка достоверности полученных результатов выполнены совместно с соавторами.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 189 страниц, включая 160 страниц основного текста, 31 рисунок и 20 таблиц.
