Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Минаев Антон Андреевич

Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики
<
Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Минаев Антон Андреевич. Медиаторная сеть сбора и обработки данных в системах распределенной диагностики: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.01 / Минаев Антон Андреевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО Пензенский государственный университет], 2017.- 137 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ существующих решений в области диагностических систем сбора и обработки данных 10

1.1 Классификация диагностических систем 10

1.2 Применение технологии Интернета вещей в задачах распределенной диагностики 23

1.3 Построение современных распределенных программных систем на базе мультиагентных технологий 27

Выводы по главе 32

Глава 2. Модель медиаторной сети сбора и обработки данных 33

2.1 Постановка задачи диагностики в рамках медиаторной сети 33

2.2 Математическая модель медиаторной диагностической сети 36

Выводы по главе 47

Глава 3. Алгоритмы сбора и обработки данных в медиаторной сети распределенной диагностики 49

3.1 Архитектура медиатора 49

3.2 Алгоритмы управления медиаторной сетью 51

3.3 Программная реализация агента-медиатора 70

Выводы по главе 75

Глава 4. Исследование медиаторной диагностической сети 76

4.1 Система моделирования медиаторной сети сбора и обработки данных ...76

4.2 Результаты исследования 83

Выводы по главе 100

Глава 5 . Практическая реализация медиаторной диагностической сети сбора и обработки данных 101

5.1 Диагностика патологии электрокардиограммы 101

5.2 Распределенная система оптического контроля внутривенной инфузии104

Выводы по главе 117

Заключение 118

Список литературы 120

Построение современных распределенных программных систем на базе мультиагентных технологий

Инструментальные методы диагностики основываются на применении совокупности датчиков, способных отслеживать показатели исследуемой среды, а также аппаратов диагностических воздействий и регистрации реакций. Одно из преимуществ инструментальных методов диагностики перед лабораторными заключается в сравнительно малом периоде получения результатов одного цикла измерения, что позволяет использовать их для исследования высокодинамических характеристик. Примерами таких характеристик могут служить показатели среды, которые требуют непосредственного анализа в темпе реального времени. Обладая способностью регистрации и анализа высокодинамических параметров, инструментальные методы диагностики зачастую используются совместно с системами поддержки принятия решений, а также для интенсивной диагностики.

Интенсивная диагностика [85] представляет собой процесс непрерывной периодической регистрации параметров исследуемой среды в течение определенного отрезка времени, предназначенный для экстренного оповещения критических изменений и/или последующего анализа динамики данных параметров. Интенсивная диагностика широко применяется в различных сферах деятельности, в том числе в медицине во время хирургических операций и реанимационных мероприятий. Кроме того, она необходима на этапах послеоперационной адаптации пациентов, а также используется для проведения холтеровского мониторирования (суточное мониторирование ЭКГ). Интенсивная диагностика находит свое применение в установлении технического состояния объектов и определяется как техническая диагностика. Задачами технической диагностики являются контроль технического состояния, поиск места и определение причин отказа и прогнозирование технического состояния. Контроль технического состояния, в свою очередь, представляет проверку соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени [14].

Важной характеристикой при применении интенсивной диагностики является не только моментальное значение показателей исследуемой среды, но и их динамика. Это определяет необходимость накопления диагностической информации путем непрерывного сохранения измерительных потоков с целью последующего анализа. B случае применения комплексной диагностики совместно с контролированием параметров исследуемой среды определенным количеством датчиков, возникает проблема обработки большого количества потоков диагностических данных и своевременного оповещения о выявленных тревожных ситуациях. В рассматриваемом случае, для хранения диагностических данных требуется значительные объемы памяти централизованного хранилища.

Для решения проблем интенсивной диагностики применяются системы мониторинга, которые представляют собой технические устройства централизованного сбора, обработки и анализа диагностической информации. Примером такой системы в сфере технической диагностики является бортовая диагностическая система автомобильного транспорта [72]. Бортовая диагностическая система объединяет датчики по средствам общей диагностической сети с топологией типа «шина». Для просмотра результатов диагностики используется устройство подключения к диагностической сети.

В медицинской практике в качестве диагностических систем широкое распространение получили мониторы пациента. Монитор пациента представляет собой электронное устройство, предназначенное для сбора и отображения диагностической информации, обладающее набором интерфейсов для подключения измерительных датчиков и средствами оповещения о тревожных ситуациях. Кроме того, современные мониторы пациента обладают возможностью передачи диагностической информации на верхний уровень для сохранения и последующего анализа. В качестве верхнего уровня в таких сетях используются специализированные серверные станции.

Монитор пациента обеспечивает сбор диагностических данных с измерительных датчиков с постоянной дискретизацией, их сохранение во внутреннюю память, а также осуществляет звуковое, световое и иное оповещение о возникших тревожных ситуациях. Монитор пациента представлен на рисунке 1.2.

Математическая модель медиаторной диагностической сети

Релевантность конкретного тостояни( (сквокупностд динамики параметров) определяет степень необходимости дальнейшей обработки измерительных данных, их сохранения и тревожного оповещения о входе системы в данное состояние. Таким образом, целью мультиагентной системы является поиск и детектирование исключительных состояний.

Паттерны исключительных состояний хранятся на выделенном сервере и распространяются координаторами измерительных сетей исследуемого объекта по модулям датчиков по необходимости. Данные паттерны наряду с простейшими критериями пороговых значений могут содержать интегрально-дифференциальные критерии, а также критерии корреляционно-спектрального анализа [43].

Таким образом, использование паттернов исключительных состояний приводит к значительному сокращению потока первичной информации и повышению эффективности использования беспроводной среды передачи данных.

Для практического решения поставленной задачи предлагается реализовать концепцию медиаторной сети связи. В рамках этой концепции предлагается повысить автономность каждого датчика за счет реализации специализированного программного обеспечения, функциональность которого включает предобработку информации на стороне датчика и реализацию P2P взаимодействия между датчиками в процессе передачи данных. В ходе такого взаимодействия устройства сбора информации реализуют не только свое непосредственное назначение, но и участвуют в передаче информации между сторонними устройствами.

Реализовать данную возможность предлагается путем построения программных агентов, соответствующих устройствам сбора и предварительной обработки диагностической информации. Функциональность каждого агента включает: — непосредственно сбор данных и накопление их в промежуточном хранилище небольшого объема; — предварительную обработку данных в реальном времени и выявление потенциально опасных ситуаций; — корректировку интервалов дискретизации (адаптивная дискретизация) - уменьшение в случае необходимости повышения точности измерений и увеличение по возможности для снижения нагрузки на сеть; — формирование сообщений о потенциально опасных ситуациях и передачу их для централизованного анализа; — запрос к другим агентам датчиков для проведения дополнительных измерений и осуществления комплексного анализа ситуации; — выполнение функций посредника (медиатора) при передаче данных между сторонними агентами и центром; — балансировку нагрузки по сбору данных и выполнению посреднических функций.

Одно из основных отличий предлагаемой архитектуры заключается в реализации предварительной обработки данных посредством вычислительных возможностей интеллектуальных датчиков. Также предлагается использовать интерфейс информационного взаимодействия между датчиками, необходимый для реализации комплексной обработки информации в рамках измерительной подсистемы. Структурная схема медиаторной сети сбора и обработки данных представлена на рисунках 2.3-2.4.

Предлагаемая архитектура позволяет наделить систему сбора и обработки данных функционалом, который определяет возможность начального диагностического анализа на уровне данной системы в реальном масштабе времени. Данные преимущества улучшают качество и своевременность диагностики. Каждый датчик работает под контролем системы управления модулем датчика. Модуль датчика представляет собой законченное устройство, имеющее беспроводной интерфейс, преобразователь физической величины в оцифрованные данные и систему управления.

Для минимизации количества первичных данных, которые необходимо обработать, система управления модулем датчика управляет частотой дискретизации производимых измерений. Частота дискретизации измеряемых параметров исследуемого объекта регулируется в соответствии с: — результатами анализа значений измерений при помощи паттернов исключительных состояний; — результатами анализа состояния сетевой инфраструктуры передачи диагностических данных; — состоянием информационных взаимосвязей между агентами с целью предоставления востребованных диагностических данных. Частота дискретизации измеряемых параметров является важным фактором, влияющим на эффективность работы не только отдельного модуля датчика, но и всей системы в целом.

Алгоритмы управления медиаторной сетью

Класс управления сетевых взаимодействием Network находится в композиции с классами NetworkChannel, NetRouter и NetLogic. Класс NetworkChannel является объектной абстракцией над каналом передачи данных, который управляет пакетами, представленными в виде класса NetMessage. Классы NetRouter и NetLogic являются слушателями класса NetworkChannel, которые посредством реализации интерфейса NetListener принимают данные на обработку. Кроме того классы NetLogic и NetRouter агрегируют класс RouteTable и используют его для оперирования таблицей маршрутизации.

Конкретизируя функциональность агента-медиатора можно выделить задачу обеспечения коммуникационной инфраструктуры мультиагентной системы и задачу взаимодействия с окружающей средой (например: обслуживание сенсоров и реакция на показания). С этой целью в структуру агента вводится диспетчер, отслеживающий состояния структурных модулей агента. В результате анализа изменения состояний выносится решение о выделении определенного количества аппаратных ресурсов. Распределение вычислительных ресурсов агента между его задачами подразумевает наличие инструмента переключение контекстов выполнения этих задач с учетом установленного приоритета.

В том случае, когда мультиагентная система имеет программную реализацию агентов и инфраструктуры их взаимодействия в рамках многозадачной операционной системы, динамическое распределение вычислительных ресурсов целесообразно реализовать при помощи потоков. Тогда процесс переключения контекстов выполнения задач агента реализуется на уровне диспетчера потоков, а балансировка - при помощи инструментов распределения приоритетов конкретной операционной системы. Переносимость данного решения в определенной мере обеспечивается за счет реализации системы в рамках набора стандартов POSIX или использования кроссплатформенных инструментов разработки ПО (Qt, Java). Описанный подход также целесообразно использовать в случае реализации мультиагентной системы в виде компьютерной пиринговой сети. Однако зачастую агенты системы реализуются в виде множества автономных модулей с достаточно ограниченной вычислительной способностью. Такие модули, как правило, реализуются на базе микроконтроллеров, не имеющих в своем составе блока управления памятью (MMU, memory management unit), отвечающего за трансляцию виртуальных адресов, и, как следствие, не поддерживающих наиболее популярные многозадачные ОС. В таком случае, исполняемые задачи агента возможно реализовать в рамках одного контекста выполнения, в который также включена логика распределения аппаратных ресурсов. Однако, такой подход имеет ряд недостатков. Во-первых, переключение между задачами возможно только по полному завершению одной итерации задачи (т.к. отсутствует возможность сохранения/восстановления контекста выполнения), что в итоге ухудшает характеристики балансировки. Во-вторых, ухудшается переносимость такой системы на другие платформы.

Поэтому предлагаемым решением является использование свободной операционной системы реального времени для встраиваемых систем FreeRTOS. Данная операционная система реализует переключение контекстов потоков в рамках глобального адресного пространства с учетом выставленных приоритетов. Часть кода системы, отвечающего непосредственно за переключение контекста, является платформозависимой и модернизируется при переходе на другую микроконтроллерную архитектуру, тогда как ОС уже перенесена на множество платформ. Открытость системы позволяет модернизировать логику диспетчера потоков под различные модели многопоточности. Оперирование балансировкой задач агента в таком случае осуществляется через единый интерфейс управления потоками FreeRTOS.

Описанное решение было апробировано на практике в рамках одной из задач медицинского мониторинга, а именно - при реализации устройств контроля процессов внутривенной инфузии, обеспечивающих распознавание момента завершения процедуры внутривенного капельного вливания и передачи сообщения на мобильное устройство медицинской сестры [67]. Данные, собираемые с устройств мониторинга в режиме реального времени, частично обрабатываются на стороне самих устройств, а при возникновении рисков передаются для централизованной обработки. В случае необходимости комплексного анализа устройства могут взаимодействовать, обмениваясь сообщениями и согласовывая частоту и точность проведения измерений.

Система моделирования медиаторной сети сбора и обработки данных

Представим подвижную сенсорную сеть, взаимодействие в которой реализуется с помощью шаблонов агента-медиатора в виде медиаторной сети связи. Агенты-медиаторы анализируют сигнал с собственных датчиков, вырабатывают информацию для центра обработки данных (ЦОД), передают ее, а также участвуют в транспортировке информации от аналогичных агентов. Задача медиаторной сети - обнаружить исключительные ситуации с помощью собственных датчиков и передать информацию в ЦОД.

Топологию медиаторной сети можно описать с помощью неориентированного графа, узлами которого являются агенты-медиаторы, а ребрами - информационные каналы между агентами. На вход сети поступает вектор унарных предикатов исключительных ситуаций датчиков по времени, размерность которого определяется числом агентов-медиаторов.

Ключевыми параметрами эффективности моделируемой медиаторной сети являются: — точность детектирования, определяемая отношением количества исключительных ситуаций, которые были успешно переданы в ЦОД, к их общему количеству; — среднее время детектирования исключительной ситуации; — СКО времени детектирования исключительной ситуации; — энергоэффективность, определяемая суммой энергозатрат всех агентов медиаторной сети связи.

Работа агента-медиатора моделируется в виде последовательности выполнения задач, каждая из которых обладает определенным уровнем приоритета, энергоемкости и параметрами. В модели представлены следующие виды задач: планирование, анализ сигналов с датчиков, анализ состояния интерфейса, обработка исключительной ситуации, прием сообщения, отправка сообщения и трансляция сообщения.

Планирование заключается в распределении задач детектирования исключительных ситуаций и сетевого анализа по времени на заданный интервал. В результате планирования формируется стек ожидания агента-медиатора. При запуске анализа сигналов от датчиков агента выполняются алгоритмы детектирования исключительных ситуаций. При детектировании исключительной ситуации инициируется задача ее обработки, которая в свою очередь реализует регистрацию события, а также генерирует сообщение для ЦОД. Анализ состояния сетевого интерфейса осуществляет оценку загруженности входного и выходного буферов, а также инициирует транспортные виды задач по приему, отправке и трансляции сообщения.

Контроль за поступлением входного потока событий в модель осуществляет модуль генерации исключительных ситуаций (МГИС). МГИС осуществляет управление генераторами сигнала (ГС), которые формируют входной сигнал для измерительного модуля (ИМ) каждого агента-медиатора (AM). ИМ каждого агента-медиатора принимает сгенерированную входную последовательность и формирует входные данные для анализатора сигнала (АС). АС выполняет алгоритм детектирования исключительной ситуации и при ее возникновении генерирует задачу ее обработки, которая в свою очередь поступает во входной буфер модуля выполнения задач (МВЗ). МВЗ осуществляет обработку всех типов задач агента-медиатора с учетом их приоритета, длительности выполнения и энергоемкости. Результаты выполнения передаются в обработчик задач (ОЗ), где содержится логика реагирования агента на возникновение событий. В результате выполнения задачи обработки исключительной ситуации ОЗ генерирует сообщение для центра обработки данных, которое попадает в выходной транспортный буфер модуля сетевого интерфейса (МСИ). МСИ обрабатывает входной и выходной буфера в результате выполнения задачи анализа состояния интерфейса и осуществляет непосредственное взаимодействие с инфраструктурой передачи данных. Инициатором задач анализа датчиков и состояния интерфейса является планировщик задач (ПЗ), который генерирует план выполнения на заданный период времени по определенному алгоритму.