Алгоритмічне та програмне забезпечення регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЖаріков, Едуард В’ячеславович
dc.contributor.authorСоколовський, Владислав Володимирович
dc.date.accessioned2025-06-20T09:13:35Z
dc.date.available2025-06-20T09:13:35Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractСоколовський 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.
dc.description.abstractotherSokolovskyi V.V. Algorithmic and software development for a regional system of monitoring the condition of potentially hazardous objects. - A qualifying scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Knowledge - 12 Information Technologies by specialization - 121 Software Engineering – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. Ukraine has a significant number of facilities classified as potentially hazardous objects, accidents at which can lead to man-made emergencies. In the context of Russia’s armed aggression, ensuring the safety of life and health of the population, as well as the environmental safety of the territories where potentially hazardous objects are located, is of particular relevance. Risk assessments should consider not only the direct consequences of accidents at facilities, but also the potential impact on the population, the infrastructure of adjacent territories, and other industrial facilities. In such circumstances, there is an urgent need to create comprehensive systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects at all levels: object, local, regional, and state. Although a significant number of systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects at the object and local levels are currently in operation, improving the reliability of operation and safety of potentially hazardous objects by improving the processes of collecting, processing, and transmitting data in the information system of monitoring the condition of potentially hazardous objects through the development of specialised application software using the Internet of Things technology and the development of software and methods for processing information for regional system of monitoring the condition of potentially hazardous objects remains an urgent scientific and practical task. A modern system of monitoring the condition of potentially hazardous objects is a software and hardware complex based on the principles of software engineering and using modern software development methods. Implementation of such a system allows increase the efficiency of industrial facilities operation and improve the organisation of protection of the public and workforce by early detection of the possibility of an emergency. No such systems have been created at the regional and national levels. The analysis of the existing system of monitoring the condition of the potentially hazardous objects shows that such software complexes collect and process data on key parameters of the facility and perform their parametric control. The software determines whether the values of one or more monitored parameters of the facility exceed or approach predefined critical levels. If critical values are exceeded, the system automatically generates notifications for the personnel on duty about a potential emergency and provides step-by-step instructions on the necessary actions to prevent the development of an accident and prevent the facility from entering an emergency condition. This approach significantly limits the timeframe for implementing emergency response measures. In addition, modern industrial facilities are characterised by a complex spatially distributed structure covering large areas. This creates an increased vulnerability of the components of the hardware and software system of monitoring the condition of potentially hazardous objects to electromagnetic interference. These challenges and current trends in the development of regional distributed systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects form an urgent scientific and technical task to improve the theoretical foundations of software development as an information object and create effective algorithms for regional systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects, which is accomplished in this dissertation. The purpose of the dissertation is increasing the reliability of operation and the level of safety of potentially hazardous objects by improving the processes of collecting, processing, and transmitting data in the information system of monitoring the condition of potentially hazardous objects through the development of specialised application software using the Internet of Things technology, methods of noise-resistant data coding, modelling the processes of the monitored object, as well as methods for predicting changes in its condition. To achieve this goal, the scientific provisions, methodological principles and practical recommendations for the selection of methods and algorithms were developed and theoretically substantiated, and the software architecture design problems based on a systematic approach to monitoring data processing, object condition forecasting and process optimisation was solved. The achievement of this goal is ensured by solving a set of theoretical, methodological and practical tasks of software engineering, which are discussed in the following sections of the dissertation. The first section provides an analytical analysis of the current state of implementation of regional information systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects, an analysis of the legislative framework and scientific literature, as well as a study of the current theoretical and methodological foundations for designing monitoring systems for potentially hazardous objects, and an analysis of the architectural and technological aspects of designing monitoring systems. Based on the analysis, a scientific and technical task was formulated and a set of research objectives was identified aimed at improving the efficiency of the design of regional monitoring systems for potentially hazardous objects. The second section analyses the existing monitoring systems and, based on the analysis, proposes a solution to the architecture design problem of a regional system for monitoring the condition of potentially hazardous objects based on the Internet of Things network with a star topology with an integrated control system and predictive analytical subsystems at the object, local and regional levels. Based on the analysis of existing methods of data transmission on the Internet of Things networks, a method for applying a noise-resistant error-correcting code with the ability to detect and correct multiple data transmission errors is suggested and developed. The performed testing of the information object — the software model of the data transmission channel — confirmed the corrective capabilities of the proposed method of error detection and correction. The architecture design problem of the information system was solved, algorithmic and software for programmable sensors were developed, which are proposed to be used as nodes for collecting information from information sources in the form of primary converters at the object level. In the third section, based on the analysis of publications, it is proved that it makes sense to have predictive analytics subsystems both at the object level and at the local and regional levels as part of regional information systems of monitoring the status of potentially hazardous objects. It is proposed that at the object level, the predictive analytics subsystem should perform the functions of short-term forecasting to detect early the possibility of an emergency at potentially hazardous objects, which will increase the time (from three to four counts) for response and implementation of emergency measures by operational personnel. The algorithmic and software for short-term forecasts based on the least squares method have been implemented. The use of predictive analytics subsystems at the local and regional levels is considered. It is substantiated that the subsystem of predictive analytics at the local and regional levels should be able to perform the functions of modelling the condition of the most potentially hazardous objects, and therefore the modelling of filtration processes is considered on the example of earthen pressure hydraulic structures — potentially hazardous objects, accidents on which lead to large-scale consequences. The modelling is proposed to be performed using the proposed modified grid method. It is noted that modelling allows to quickly obtain a qualitative picture of the possible development of destructive processes in the condition of potentially hazardous objects. The fourth section analyses possible methods for assessing the quality of algorithmic and software. A methodology for assessing the quality of architecture, algorithmic and software based on the use of expert evaluation has been developed. Based on the developed methodology, an expert evaluation of the quality of architectures, as well as algorithmic and software, was performed. The expert evaluation confirmed the quality of the adopted methods and algorithms in the development of standard solutions and recommendations, namely: the need to build regional systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects based on the Internet of Things networks, the use of information collection from primary converters of programmable sensors as a computer network node, the use of a modified method for detecting and correcting multiple data transmission errors based on the use of the Hamming error-correcting codes to ensure interference-free data transmission. It should also be noted that the developed regional system of monitoring the condition of potentially hazardous objects has high weighting coefficients of functional stability. The dissertation research has obtained a number of new scientific results: For the first time, an architecture has been developed as the core of a system of monitoring the condition of potentially hazardous objects, which differs from existing ones by using Internet of Things technologies, ensuring noise-resistant data transmission, the ability to predict changes in the parameters of hazard sources that characterise the condition of the object, as well as the ability to model processes that lead to changes in the condition of the monitored object, which makes it possible to increase the reliability of operation and the level of safety of potentially hazardous objects. For the first time, the architecture, algorithmic and software for output information sensors as part of a noise-resistant regional system of monitoring the condition of potentially hazardous objects based on Internet of Things technologies have been developed, the peculiarity of which is that the output information sensors can be used in monitoring systems that use byte data transmission in the form of information blocks consisting of information and control bits, which are mixed before transmission according to the coding scheme, which allows reducing the impact of electromagnetic interference during data transmission and ensure data integrity. For the first time, a method for detecting and correcting multi-bit errors in information transmission, as well as algorithmic and software based on the use of Hamming codes, a modified coding scheme and encoding and decoding procedures, which differs in the procedure of mixing bits of an information block before transmission to the communication channel, which allows increasing the noise immunity of systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects. The theoretical foundations for the development of specialised software for analytical predictive subsystems of regional systems of monitoring the condition of potentially hazardous objects have been improved, which differ from the existing ones in that templates have been developed to implement the function of predicting changes in the value of parameters of hazard sources within potentially hazardous objects at the object level and the function of modelling the condition of potentially hazardous objects at the local and regional levels, which allows for early detection of the opportunity of an emergency and localisation of possible defects through the development of destructive processes. For the first time, algorithmic and software for the iterative method of calculating water filtration through pressure earthen hydraulic structures was developed, which is distinguished using two-dimensional mathematical models to identify the possibility of hydraulic structure destruction, which makes it possible to simplify the process of programming analytical predictive subsystems at the local and regional levels, as well as to make management decisions in advance to prevent accidents and their transition to a condition of emergency. Main scientific results of the dissertation research were published in 7 scientific papers, including: 4 articles in foreign scientific editions indexed in the Scopus system, as well as 3 publications in international and national conferences.
dc.format.extent316 с.
dc.identifier.citationСоколовський, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74350
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectінженерія програмного забезпечення
dc.subjectпараметр
dc.subjectвузол
dc.subjectрозподілена система
dc.subjectвідмовостійкість
dc.subjectпроблеми побудови архітектури
dc.subjectмоніторинг
dc.subjectекологічний моніторинг
dc.subjectкорегувальні коди
dc.subjectінтегрована система управління
dc.subjectбібліотека програмного забезпечення
dc.subjectдавач
dc.subjectінтернет речей
dc.subjectмережа
dc.subjectінформаційні системи
dc.subjectпотенційно небезпечні об’єкти
dc.subjectджерела інформації
dc.subjectвагові коефіцієнти
dc.subjectоб’єкти критичної інформаційної інфраструктури
dc.subjectsoftware engineering
dc.subjectparameter
dc.subjectnode
dc.subjectdistributed system
dc.subjectfault tolerance
dc.subjectarchitecture design problems
dc.subjectmonitoring
dc.subjectenvironmental monitoring
dc.subjecterror-correcting codes
dc.subjectintegrated control system
dc.subjectsoftware library
dc.subjectsensor
dc.subjectInternet of Things
dc.subjectnetwork
dc.subjectinformation systems
dc.subjectpotentially hazardous objects
dc.subjectinformation sources
dc.subjectweighting factors
dc.subjectcritical information infrastructure objects
dc.subject.udc004.42
dc.titleАлгоритмічне та програмне забезпечення регіональної системи моніторингу стану потенційно небезпечних об’єктів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Sokolovskyi_V_V_dys.pdf
Розмір:
6.89 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ІПІ)
Дисертації (вільний доступ)