| Разработка виртуальной вычислительной лаборатории для решения научно-технических задач горного производства
Диссертация
Автор: Попов, Семен Евгеньевич
Название: Разработка виртуальной вычислительной лаборатории для решения научно-технических задач горного производства
Справка: Попов, Семен Евгеньевич. Разработка виртуальной вычислительной лаборатории для решения научно-технических задач горного производства : диссертация кандидата технических наук : 05.13.18 Кемерово, 2005 159 c. : 61 05-5/3737
Объем: 159 стр.
Информация: Кемерово, 2005
Содержание:
1 Анализ информационных технологий в рамках их интеграции в единую виртуальную среду
11 Современные информационные технологии для задач горного производства
12 Обзор корпоративных архитектур распределенных объектов применительно к теме работы Вызов удаленных процедур (RPC) Java Servlets / ASP CORBA/DCOM NETFramework (NETRemoting) -
13 Вопросы решения научно-технических задач в распределенном режиме
14
Выводы по главе
2 Научно-технические задачи, решаемые в рамках ВВЛ
21Решение задач горного производства в рамках ВВЛ Научная постановка проблемы
22Примеры научно-технических задач и обоснование их решения в рамках ВВЛ Энтропийный анализ Определение рейтингов объектов, прямая и обратная задачи Расчет горного давления Аналитическое описание приращений смещений Некоторые задачи ГИС
23Выводы по главе
3 Концепция виртуально-вычислительных лабораторий
31 Формальный подход к решению задач в распределенном режиме
311 Основные элементы архитектуры распределенных приложений NET Remoting
312 Процесс «сериализации/десериализации» объектов
313 Процедура «маршалинга» объектов
32Интеграция научно-технических и программных средств, в рамках распределенной системы
321 Удаленное взаимодействие с интегрированными системами для горных предприятий
322 Интеграция систем доступа к картографической информации и расчетных модулей задачи на основе Интернет технологий / •
323 Организация и внедрение систем справочной документации и интерактивного обсуждения решений
33Структурная UML-модель программного комплекса «Виртуальная вычислительная лаборатория»
34Выводы по главе ;
4 Программная реализация системы
41 Серверная реализация на базе Интернет/Интранет технологий
4,2Программная привязка расчетных модулей к объектам электронных карт
43 Решение нестандартных и геометрических задач ГИС
431 Модуль взаимодействия с интегрированными системами для горных предприятий
432 Модуль взаимодействия с базами пространственных данных на основе Oracle Spatial
433 Модуль работы с картографической информацией в глобальных сетях
44Специализированные модули ВВЛ
4,5 Модули задач
451 Модуль «Энтропийный анализ»
452 Модуль «Горное давление»
46Программный комплекс «Виртуально-вычислительная лаборатория»
47Выводы по главе
Введение:
Актуальность проблемы. Современные информационные технологии и компьютерные телекоммуникации открывают принципиально новые возможности формирования единого информационного пространства, обеспечивая поддержку научного сопровождения и решения сложных научно-технических задач горного дела.В настоящее время за счет нарастания информационных потоков, усложнения горно-геологических и технологических условий и ) газодинамической обстановки возрастает потребность в объединении усилий ученых и производственников для решения комплекса предметных задач.Это требует объединения возможностей работы с распределенными базами данных и математико-вычислительными системами, ориентированными на решение научно-технических задач.В угольной промышленности уже на протяжении 20 лет различными коллективами ученых (ИУУ СО РАН, ИГД СО РАН, ИГД УРО и др.) создаются базы данных и разрабатываются научно-исследовательские программы для решения широкого круга прикладных задач горного производства. В тоже время практически не предпринято усилий по их интеграции в единые системы с учетом ориентации на определенный круг прикладных задач и возможности совместного использования полученных научно-технических результатов.Решение этой важной задачи заключается в создании виртуальных вычислительных лабораторий (ВВЛ) по предметным областям горного производства, которые интегрируют пространственно-распределенные информационные источники (базы данных, электронные карты, снимки и др.) и совокупность программных модулей, методов, задач и технологий, в рамках единых распределенных информационно-вычислительных сред.Таким образом, создание виртуальных вычислительных лабораторий на принципах предметно-ориентированного единства вне зависимости от пространственного размещения информационных источников, методов и средств решения научно-технических задач, объектов и субъектов, взаимодействующих в процессах их решения является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение, для разработки нового класса прикладных программных комплексов решения задач горного дела.Целью работы является создание программного комплекса «Виртуальная вычислительная лаборатория» для решения научнотехнических задач горного производства в условиях распределенности самих задач, информационных источников и программных средств, методов и технологий по их решению.Идея работы базируется на архитектурах распределенных вычислительных доменов приложений (.NET Remoting) и их интеграции с распределенными базами данных, методами и модулями задач предметной области и предметными картографическими системами.Задачи исследования: 1. Провести анализ основных программных средств и информационных технологий для горного производства и обосновать их применение и место в виртуальной распределенной среде для решения научно-технических задач.2. Разработать методологические основы реализации системы распределенных вычислений в виде интеграционной виртуальной вычислительной среды.3. Построить информационно-логическую модель виртуальной вычислительной лаборатории в виде объектно-связанных компонентов.4. Разработать алгоритмы решения конкретных научно-технических задач в распределенном режиме и реализовать их в виде комплекса проблемно-ориентированных программ.5. Исследовать возможности применения виртуальной вычислительной лаборатории для решения различных научно-технических задач.Методы исследования: - метод унифицированных нотаций для разработки структурной UMLмодели программного комплекса «Виртуальная вычислительная лаборатория»; - теория реляционных баз данных для создания баз пространственных данных на основе ORACLE Spatial; - объектно-ориентированный подход для программной реализации классов и методов системы; J - теория объектно-ориентированных решений для распределенных систем и удаленных вычислений для внедрения возможности сетевого взаимодействия классов системы; Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Сформулированные методологические требования к программному комплексу и решаемым в его рамках научно-техническим задачам создают необходимые и достаточные условия для реализации последнего в виде интегрированной, распределенной виртуальной вычислительной лаборатории.2. Структурная модель виртуальной вычислительной лаборатории на стадии проектирования генерирует предметно-ориентированные комплексы программных модулей, адаптируемые к удаленным решениям прикладных задач горного производства в распределенной вычислительной среде.3. Разработка программного комплекса на основе функциональной кластеризации компонентов и многоуровневого распределения, формирует общий алгоритм решения в удаленном режиме большинства научнотехнических задач предметной области.4. Программный комплекс «Виртуальная вычислительная лаборатория» обладает всеми необходимыми качествами и свойствами интеграционного пакета прикладных программ (распределенной информационной системы) со стандартными протоколами функционирования своих приложений (TCP и HTTP) и имеет встроенные механизмы внутреннего развития и внешнего расширения сферы применения.Научная новизна заключается в следующем: 1. На базе виртуальной вычислительной лаборатории создана принципиально новая вычислительная среда, обеспечивающая интеграцию пространственно распределенных данных, программных алгоритмов решения задач горного производства и картографических систем. ^ 2, Впервые создана структурная UML-модель предметноориентированной виртуальной вычислительной лаборатории.3. Разработана новая методология привязки картографических «единиц горного производства» (шахта, скважина и т.д.) и реляционных единиц обрабатывающих вычислительных модулей прикладных задач, на базе, которой построен вычислительный программный комплекс взаимодействия с ГИС.
4. Создана объектно-ориентированная модель классов распределенных расчетных модулей, ориентированных на прикладную логику предметных задач.5. Разработана программная среда-оболочка для интеграции и обслуживания расчетных модулей задач, ориентированных на предметную область (горное дело).Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием проверенных методов и теорий: - теория объектно-ориентированного анализа и проектирования; - классические методы объектно-ориентированного программирования; - теория построения реляционных баз данных. / Гарантируется использованием проверенных технологий удаленного взаимодействия объектов: инфраструктуры .NET Framework и .NET Remoting.Подтверждается устойчивой работой системы распределенных вычислений, развернутой в локальной сети передачи данных ИУУ СО РАН. Личный вклад автора состоит: - в исследовании и разработке интегрированной виртуальной вычислительной среды для решения научно-технических задач горного производства; - в разработке структурной UML-модели виртуальной вычислительной лаборатории; - в разработке ГИС-компонентов виртуальной вычислительной лаборатории на основе принципа «привязки» объектов электронных карт к расчетным модулям задачи; - в исследовании и разработке удаленного доступа к пространственным данным, в рамках ВВЛ при распределенном решении задач ГИС; - в исследовании и реализации возможности внедрения в расчетный кластер ВВЛ интегрированных систем для горного производства сторонних разработчиков, как вспомогательных компонентов.Практическая значимость: - Разработана методика построения виртуальных вычислительных лабораторий, позволяющая интегрировать разнородные программные средства решения научно-технических и производственных задач и пространственно распределенные картографические и реляционные хранилища данных. - Разработаны унифицированные модули ВВЛ, которые могут быть использованы для развития программного комплекса в направлении создания программных решений новых научно-технических задач, как горного производства, так и других предметных областей. - ВВЛ обеспечивает доступность удаленных информационных массивов для угольных предприятий и научных учреждений в динамическом режиме, тем самым, позволяя получать и использовать их в качестве исходных данных для решения своих задач. - Разработанный на базе ВВЛ распределенный ГИС-сервер позволяет организовать в локальной сети передачи данных РТУУ СО РАН динамический доступ к электронным картам и решение на их основе пространственных задач ГИС. Реализация работы. Разработан и внедрен в среду локальной сети передачи данных ИУУ СО РАН распределенный ГИС-сервер. Разработан программный комплекс ВВЛ в виде расчетных модулей задач энтропийного анализа и расчета горного давления; универсальный распределенный модуль доступа к источникам данных (СУБД ORACLE, Microsoft SQL Server, Microsoft Indexing Services, Microsoft Access и др.), модуль маршрутизации вызовов к web-сервисам, модуль безопасности вызовов к web-сервисам на основе Х.509 сертификатов. Модули реализованы и функционируют в рамках СПД ИУУ СО РАН. Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные ее положения докладывались и обсуждались на следуюидих научных конференциях: Информационные недра Кузбасса (г. Кемерово, 2004), Информационно-вычислительные технологии в фундаментальных и прикладных физико-математических исследованиях (ИВТН-2004, г. Москва, 2004), Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании ВИТ-2004 (Казахстан, г. Алма-Ата, 2004), Рабочее Совещание "Распределенные информационно-вычислительные ресурсы и математическое моделирование" (Академгородок, г. Новосибирск, 2004), Г' Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (г. Кемерово, 2004), Научная сессия Кемеровского научного центра СО РАН (г. Кемерово, 2005), Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (г. Кемерово, 2005).Во Введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и идея работы, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.В первой главе дан анализ информационных технологий в рамках их интеграции в единую виртуальную среду. Приводится классификация компьютерных технологий для горного производства и реферативный обзор корпоративных архитектур распределенных объектов. Рассматриваются вопросы решения научно-технических задач в распределенном режиме.Во второй главе речь идет о типах задач решаемых в рамках виртуальной вычислительной лаборатории. Рассматриваются примеры таких задач и определяются их основные свойства в рамках ВВЛ.
4, В третьей главе определяется формальный подход к решению научнотехнических задач в рамках ВВЛ, в котором рассмотрены основные элементы архитектуры распределенных объектов .NET Remoting, Показаны и обоснованы алгоритмы интеграции сторонних программных компонентов для горного производства в виртуальную среду, а также, возможности onlineобсуждения результатов решения. Построена концептуальная модель программного комплекса ВВЛ. В четвертой главе приводится программная реализация системы. Дано описание различных модулей системы, с точки зрения их функционирования в средах Интернет и Интранет. Дано обоснование программного комплекса ВВЛ на основе его программной реализации, как интегрирующей мультикомпонентной распределенной системы.В приложении 1 приведен полный вариант UML-проекта ВВЛ.
|