Алгоритмічне та програмне забезпечення регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Соколовський В.В. Алгоритмічне та програмне забезпечення регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань – 12 Інформаційні технології за спеціальністю – 121 Інженерія програмного забезпечення –- Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
На території України функціонує значна кількість споруд, класифікованих як потенційно небезпечні об’єкти, аварії на яких можуть призвести до виникнення техногенних надзвичайних ситуацій. В умовах збройної агресії РФ забезпечення безпеки життя та здоров’я населення, а також екологічної безпеки територій, де розташовані потенційно небезпечні об’єкти, набуває особливої актуальності. При оцінюванні ризиків необхідно враховувати не лише безпосередні наслідки аварій на об’єктах, але й потенційний вплив на населення, інфраструктуру прилеглих територій та інші промислові об’єкти. За таких обставин існує нагальна потреба у створенні комплексних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на всіх рівнях: об’єктовому, місцевому, регіональному та державному. Хоча наразі функціонує значна кількість систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів об’єктового та місцевого рівнів, підвищення надійності експлуатації та рівня безпеки потенційно небезпечних об’єктів у спосіб удосконалення процесів збору, обробки та передачі даних в інформаційній системі моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на основі розроблення спеціалізованого прикладного програмного забезпечення з використанням технології інтернету речей та розроблення програмного забезпечення та методів обробки інформації для регіональних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів залишається актуальною науково-практичною задачею. Сучасна система моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів являє собою програмно-технічний комплекс, що базується на принципах інженерії програмного забезпечення та використовує сучасні методи розробки програмного забезпечення. Впровадження такої системи дозволяє підвищити ефективність експлуатації промислових об’єктів та поліпшити організацію захисту населення та робочого персоналу у спосіб раннього виявлення можливості виникнення надзвичайної ситуації. На регіональному та державному рівнях такі системи не створені. Аналіз наявних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів демонструє, що такі програмні комплекси здійснюють збір та обробку даних щодо ключових параметрів об’єкта та виконують їх параметричний контроль. Програмне забезпечення визначає, чи перевищують значення одного або декількох контрольованих параметрів об’єкта попередньо встановлені критичні рівні, або наближаються до них. При виявленні перевищення критичних значень параметрів, система автоматично генерує сповіщення для чергового персоналу про можливість виникнення надзвичайної ситуації та надає покрокові інструкції щодо необхідних дій для запобігання розвитку аварії та недопущення переходу об’єкта у стан надзвичайної ситуації. Такий підхід суттєво обмежує часові рамки для впровадження протиаварійних заходів. До того ж сучасні промислові об’єкти характеризуються складною просторово розподіленою структурою, що охоплює значні території. Це створює підвищену вразливість компонентів програмно-апаратного комплексу моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів до електромагнітних завад. Зазначені виклики та сучасні тенденції розвитку регіональних розподілених систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів формують актуальне науково-технічне завдання щодо вдосконалення теоретичних засад розробки програмного забезпечення як інформаційного об’єкта та створення ефективних алгоритмів для регіональних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів, яке вирішується в межах цього дисертаційного дослідження. Метою дисертаційного дослідження є підвищення надійності експлуатації та рівня безпеки потенційно небезпечних об’єктів у спосіб удосконалення процесів збору, обробки та передачі даних в інформаційній системі моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на основі розроблення спеціалізованого прикладного програмного забезпечення з використанням технології інтернету речей, методів завадостійкого кодування даних, моделювання процесів об’єкта моніторингу, а також методів прогнозування зміни його стану. Для досягнення поставленої мети розроблено та теоретично обґрунтовано наукові положення, методологічні засади та практичні рекомендації щодо вибору методів, алгоритмів, а також вирішено проблема побудови архітектури програмного забезпечення на основі системного підходу до обробки даних моніторингу, прогнозування стану об’єктів та оптимізації процесів. Досягнення поставленої мети забезпечено у спосіб розв’язання комплексу теоретичних, методологічних та практичних задач інженерії програмного забезпечення, які розглянуто в наступних розділах дисертаційного дослідження. У першому розділі виконаний аналітичний аналіз сучасного стану впровадження регіональних інформаційних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів, аналіз законодавчої бази та наукової літератури, а також виконано дослідження сучасних теоретичних та методологічних основ проєктування систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів, проаналізовані архітектурні та технологічні аспекти проєктування систем моніторингу. На підставі проведеного аналізу сформульовано науково-технічну задачу та визначено комплекс завдань дослідження, спрямованих на підвищення ефективності процесу проєктування регіональних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів. У другому розділі виконаний аналіз наявних систем моніторингу, а на основі аналізу запропоновано розв’язання проблеми побудови архітектури регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на основі мережі Інтернету речей з топологією «зірка» з інтегрованою системою управління та предиктивними аналітичними підсистемами на об’єктовому, місцевому та регіональних рівнях. На основі аналізу наявних методів передачі даних в мережах Інтернету речей запропоновано та розроблено метод застосування завадостійкого коригувального коду з можливістю виявлення та виправлення багатобітових помилок передачі даних. Виконане тестування інформаційного об’єкта – програмної моделі каналу передачі даних підтвердило корегувальні можливості запропонованого методу виявлення та виправлення помилок. Вирішена проблема побудови архітектури інформаційної системи, розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення для програмованих давачів, які запропоновано використовувати як вузли збору інформації від джерел інформації у вигляді первинних перетворювачів на об’єктовому рівні. У третьому розділі на основі аналізу публікацій доведено, що має сенс у складі регіональних інформаційних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів мати підсистеми предиктивної аналітики як на об’єктовому рівні, так і на місцевому та регіональному рівнях. Запропоновано, що на об’єктовому рівні підсистема предиктивної аналітики повинна виконувати функції короткочасного прогнозування з метою раннього виявлення можливості виникнення надзвичайної ситуації на потенційно небезпечних об’єктах, що забезпечить збільшення часу (на три-чотири відліки) на реагування та впровадження протиаварійних заходів оперативним персоналом. Реалізовано алгоритмічне та програмне забезпечення для здійснення короткочасних прогнозів на базі використання методу найменших квадратів. Розглянуто використання на місцевому та регіональному рівнях підсистем предиктивної аналітики. Обґрунтовано, що підсистема предиктивної аналітики на місцевому та регіональному рівнях повинна мати можливість виконувати функції моделювання стану найбільш потенційно небезпечних об’єктів, а тому розглянуто моделювання процесів фільтрації на прикладі земляних напірних гідроспоруд -– потенційно небезпечних об’єктів, аварії на яких призводять до масштабних наслідків. Моделювання запропоновано виконувати використовуючи запропонований модифікований метод сіток. Відзначено, що моделювання дозволяє оперативно отримати якісну картину можливого розвитку деструктивних процесів стану потенційно небезпечних об’єктів. У четвертому розділі проаналізовано можливі методи оцінки якості алгоритмічного та програмного забезпечення. Розроблена методика оцінки якості архітектури, алгоритмічного та програмного забезпечення на основі використання експертного оцінювання. На основі розробленої методики виконано експертне оцінювання якості архітектур, а також алгоритмічного та програмного забезпечення. Експертне оцінювання підтвердило якість прийнятих методів та алгоритмів при розробці типових рішень та рекомендацій, а саме: необхідність побудови регіональних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на основі мереж Інтернету речей, використання у якості вузла комп’ютерної мережі збору інформації від первинних перетворювачів програмованих давачів, використання для забезпечення завадостійкої передачі даних модифікованого методу виявлення та виправлення багатобітових помилок передачі даних на базі використання корегувальних кодів Хеммінга, а також необхідність використання на всіх рівнях системи моніторингу предиктивних аналітичних підсистем. Потрібно також відзначити, що розроблена регіональна система моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів має високі вагові коефіцієнти функціональної стійкості. У дисертаційному дослідженні отримано низку нових наукових результатів: Уперше розроблено архітектуру як ядро системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів, яка відрізняється від наявних використанням технологій Інтернету речей, забезпеченням завадостійкої передачі даних, можливістю прогнозування змін параметрів джерел небезпеки, що характеризують стан об’єкта, а також можливістю моделювання процесів, які призводять до зміни стану об’єкту моніторингу, що дозволяє підвищити надійність експлуатації та рівня безпеки потенційно небезпечних об’єктів. Уперше розроблено архітектуру, алгоритмічне та програмне забезпечення для давачів вихідної інформації у складі завадостійкої регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів на базі технологій Інтернету речей, особливість яких полягає в тому, що давачі вихідної інформації можуть бути використані у системах моніторингу, у яких використовується побайтова передача даних у вигляді інформаційних блоків, що складаються з інформаційних та контрольних бітів, які перед передачею перемішують згідно зі схемою кодування, що дозволяє зменшити вплив електромагнітних завад при передачі даних та забезпечити цілісність даних. Уперше розроблено метод виявлення та виправлення багатобітових помилок при передачі інформації, а також алгоритмічне та програмне забезпечення на базі використання кодів Хеммінга, модифікованої схеми кодування та процедур кодування і декодування, який відрізняється процедурою перемішування бітів інформаційного блоку перед передачею в канал зв’язку, що дозволяє підвищити завадостійкість систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів. Удосконалено теоретичні засади розроблення спеціалізованого програмного забезпечення аналітичних предиктивних підсистем регіональних систем моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів, які відрізняються від наявних тим, що розроблені шаблони для реалізації функції прогнозування змін значення параметрів джерел небезпеки в межах потенційно небезпечних об’єктів на об’єктовому рівні та функції моделювання стану потенційно небезпечних об’єктів на місцевому та регіональному рівнях, що дозволяє забезпечити раннє виявлення можливості виникнення надзвичайної ситуації та локалізацію можливих дефектів шляхом розвитку деструктивних процесів. Уперше розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення ітераційного методу розрахунку фільтрації води крізь напірні земляні гідроспоруди, яке відрізняється використанням двомірних математичних моделей для виявлення можливості руйнування гідроспоруди, що дозволяє спростити процес програмування аналітичних предиктивних підсистем на місцевому та регіональному рівнях, а також завчасно приймати управлінські рішення по запобіганню виникненню аварій та переходу їх в стан надзвичайної ситуації. Основні наукові результати дисертаційного дослідження опубліковано у 7 наукових працях, з них: 4 статті в закордонних наукових виданнях проіндексовані в системі Scopus, а також 3 публікації в міжнародних і всеукраїнських конференціях.
Опис
Ключові слова
інженерія програмного забезпечення, параметр, вузол, розподілена система, відмовостійкість, проблеми побудови архітектури, моніторинг, екологічний моніторинг, корегувальні коди, інтегрована система управління, бібліотека програмного забезпечення, давач, інтернет речей, мережа, інформаційні системи, потенційно небезпечні об’єкти, джерела інформації, вагові коефіцієнти, об’єкти критичної інформаційної інфраструктури, software engineering, parameter, node, distributed system, fault tolerance, architecture design problems, monitoring, environmental monitoring, error-correcting codes, integrated control system, software library, sensor, Internet of Things, network, information systems, potentially hazardous objects, information sources, weighting factors, critical information infrastructure objects
Бібліографічний опис
Соколовський, В. В. Алгоритмічне та програмне забезпечення регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів : дис. … д-ра філософії : 121 Інженерія програмного забезпечення / Соколовський Владислав Володимирович. – Київ, 2025. – 316 с.