Сбор и регистрация данных контроля природной и техногенной среды Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 574:004

СБОР И РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ И ТЕХНОГЕННОЙ СРЕДЫ

© О.А. Бистерфельд

Ключевые слова: государственный экологический мониторинг; государственный фонд данных; интеграция данных; спутниковые каналы связи; транспортные протоколы; моделирование.

Проанализированы проблемы организации и передачи данных в информационной системе «Государственный фонд данных государственного экологического мониторинга». Описан метод интеграции информационных ресурсов, позволяющий ускорить обмен данными. Предложен транспортный протокол (с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искаженных блоков), позволяющий снизить время доставки данных по каналу связи со спутником на геостационарной орбите.

ВВЕДЕНИЕ

Постановлением Правительства РФ от 9 августа 2013 г. № 681 утверждено «Положение о государственном экологическом мониторинге (государственном мониторинге окружающей среды) и государственном фонде данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды)». Положением устанавливается «порядок создания и эксплуатации государственного фонда данных государственного экологического мониторинга». «Государственный фонд является федеральной информационной системой, обеспечивающей сбор, обработку и анализ данных, а также включающей в себя:

а) данные, содержащиеся в базах данных подсистем единой системы мониторинга;

б) результаты производственного контроля в области охраны окружающей среды и государственного экологического надзора;

в) данные государственного учета объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду» [1].

При создании Государственного фонда данных государственного экологического мониторинга необходимо решение проблем эффективной организации информационных структур, интеграции данных, миграции унаследованных систем, а также доставки измерительных данных от удаленных компонентов в центры обработки и анализа.

МЕТОДЫ ОБМЕНА И ИНТЕГРАЦИИ ДАННЫХ

Наиболее распространенные известные способы интеграции данных в системе взаимодействующих баз данных (БД) не позволяют организовывать в БД корректные массивы данных: допускается многократное повторение одних и тех же по смысловому содержанию записей данных в тех случаях, когда данные поступают от различных источников.

Отсутствие в известных способах упреждающей рассылки из службы идентификации данных (СИД) измененных массивов централизованных идентифика-

торов экземпляров (ЦИДЭ) может приводить к задержкам готовности БД к выдаче обменных данных. Такие задержки могут быть неприемлемы в информационных системах (ИС), работающих в реальном времени.

В известных способах не предусматривается заблаговременная централизованная подготовка новых массивов ЦИДЭ. Преимущество такой возможности, в случаях если такие массивы могут быть заранее подготовлены и разосланы, заключается в повышении оперативности предстоящих обменов между БД системы.

Обобщенное структурное решение автоматизированной информационной системы (АИС) для реализации нового способа интеграции данных [2-3] представлено на рис. 1.

Способ интеграции информационных ресурсов [3] использует информационные обмены между БД. Предусматривается генерация новых ключей для записей, чем обеспечивается уникальность записей в БД. В то же время централизованно (в рамках АИС) генерируются уникальные ключи для типов записей и для отдельных экземпляров записей - ЦИДЭ. В специальной структуре метаданных в каждой БД формируются соответствия между централизованно сгенерированными ключами и ключами, сгенерированными в БД при занесении записей.

Централизованная генерация ЦИДЭ обеспечивает возможность при приеме записей в БД от любой другой БД системы выполнение процедур:

- генерации собственных (для приемника) уникальных ключей для принимаемых записей (чем обеспечить уникальность записей в БД);

- выявления в принимаемых записях информационных объектов, уже имеющихся в БД, и предотвращения повторной записи таких объектов;

- объединения данных от нескольких БД источников в БД приемнике в единый логически связанный информационный массив.

Заблаговременное корректное формирование интегрируемых структурированных информационных ресурсов, повышающее оперативность представляемых ими данных, может быть обеспечено:

Рис. 1. Структура системы для осуществления способа обмена

- централизованной заблаговременной генерацией массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД в части классификаторов и систем кодирования данных;

- централизованной заблаговременной рассылкой массивов ЦИДЭ в случаях их изменений;

- централизованной заблаговременной генерацией дополнительных массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД при плановых расширениях интегрируемых информационных ресурсов ИС.

Ускорение обменов данными между БД происходит за счет исключения «постепенности» идентификации в БД системы объектов классификаторов и систем кодирования, а также и уменьшения интенсивности обменов между службой СИД и БД при выполнении информационной системой целевых задач и новых целевых задач.

ДОСТАВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ В ЦЕНТРЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА

Проблема доставки измерительных данных в центры обработки и анализа информации о состоянии природной и техногенной сред также требует решения. В последние годы интенсивно развиваются технологии дистанционного зондирования Земли из космоса: получены интересные результаты, разработана обширная научно-методическая база, созданы новые средства и системы наблюдения, позволяющие изучать природные и антропогенные объекты, оценивать и прогнозировать происходящие на планете процессы [4-5]. Данные наблюдений передаются на большие расстояния (сотни тысяч км) по каналу связи со спутником на геостационарной орбите. Для такого канала характерна низкая

вероятность передачи данных без искажений. Для транспортировки данных практически используют протоколы, созданные в свое время для компьютерных сетей: UDP - при необходимости доставки данных потребителям в реальном времени, и TCP - для гарантированной полноты доставки данных. Применение их в канале со спутниковым сегментом нельзя признать эффективным. Выражение для оценки результирующей пропускной способности и конкретные оценки из рекомендаций Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union) [6] подтверждают это (рис. 2).

При Loss = 1,E - 3 протокол TCP снижает результирующую пропускную способность в десять раз только за счет избыточных передач данных, необходимых для парирования искажений в канале связи. Еще более значительно снижается результирующая пропускная способность при передаче данных на большие расстояния. При передаче данных по спутниковому каналу связи с RTT > 500 мс даже при Loss = 1,E - 6 результирующая пропускная способность снижается в сотню раз (в TCP тратится время на ожидание подтверждающих сообщений по каналу обратной связи).

В [7] разработаны новые, более эффективные процедуры доставки данных на большие расстояния и при значительных вероятностях искажения данных в канале связи. В способе [7] повторяется передача только искаженных блоков данных, а выдача данных проводится непрерывно, вне зависимости от результатов передачи предыдущих фрагментов данных.

Математическая модель результирующей пропускной способности Бэ псп такого протокола:

Рис. 2. Результирующая пропускная способность протокола TCP (вероятность искажения символа в канале связи - Loss; время распространения сигнала в прямом и обратном канале -RTT; канал связи 10 Мб/с) [6]

Loss

Рис. 3. Результирующая пропускная способность протокола с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искаженных блоков (канал связи 10 Мб/с)

Sэ псп ад 1 [(Дбл + п

(1)

где Ябл - размер блока (сегмента, пакета) данных; 5ф -пропускная способность канала связи; гЬ - размер заголовка блока данных; йпвт - коэффициент повторов блоков данных.

Для учета среднего значения коэффициента повторов блоков данных:

к = Р + ?Р Р + ЧР

пвт 1 прд бд 21 птр бд1 прд бд lJi 1

2

птр бд1 прд

1п

+ 4Рптр бд1 прд бд

+ .

= (1 - 1п

+ +

птр бд) + 2Рптр бд( 1 Рптр + 3Рптр бд(1 — Рптр бд) + 4Рптр бд (1 — Рптр бд) + ■■■ _

= 1 + Р,

птр бд

+ р.

птр бд + Рптр бд + гптр бд

+ р.

4

+ .

где Рпрд бд - вероятность правильной передачи блока данных; Рптр бд - вероятность искажения при передаче блока данных.

Бесконечный ряд является сходящейся бесконечной геометрической прогрессией (Рптр бд < 1):

^ПИТ 1 1 (1 Рптр бдХ (2)

где Рптр бд = 1 - Рпрд бд = 1 - РЯбл +rzi ; p = 1 - Loss - вероятность правильной передачи символа в канале связи.

Зависимости Бэ псп от Loss и RTT (полученные с помощью формулы (1)) показаны на рис. 3.

С помощью имитационной программы [8-9] регистрируются данные по эффективной пропускной способности транспортного протокола, распределению времени доставки блоков данных, максимальному времени доставки блоков данных, распределению длин серий правильно переданных блоков данных и др. Применение вышеописанных подходов позволяет сократить фактический объем передаваемых данных (новый протокол более экономичен в процедурах повторных передач, компенсирующих потери данных).

В совокупности, при передаче данных по спутниковым каналам связи, результирующая пропускная способность возрастает в десятки и сотни раз.

ЛИТЕРАТУРА

1. Постановление Правительства РФ от 09.08.2013 г. № 681 «О государственном экологическом мониторинге (государственном мониторинге окружающей среды) и государственном фонде данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды)» (вместе с «Положением о государственном экологическом мониторинге (государственном мониторинге окружающей среды) и государственном фонде данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды)»). URL:: http:IIwww.consul-tant.ru/documentI cons_doc_LAW_150638/ (дата обращения: 10.04.2014).

2. Везенов В.И., Новиков Ю.А., Пресняков А.Н., Светников О.Г., Хлебников Н.Ю. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2351010, приоритет от 27.03.2007 г.

3. Бистерфельд О.А. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2447495, приоритет от 6.04.2011 г.

4. Лупян Е., Лаврова О. Земля из космоса // Наука в России. 2011. № 2. С. 36-43.

5. Епринцев С.А. Геоэкологические аспекты качества окружающей среды урбанизированных территорий // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. № 2. С. 596-601.

6. Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union. YI1541, 12.2011. Series Y: Global information infrastructure, Internet protocol aspects and next-generation networks. Internet protocol aspects - Quality of service and network performance. Network performance objectives for-based services. URL: http:IIwww.itu.intIruIITU-TIpublicationsIPagesIdefault.aspx (accessed: 10.04.2014).

7. Бистерфельд О.А. Способ передачи информации по каналам связи и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2450466, приоритет от 29.04.2011 г.

8. Бистерфельд О.А. Моделирование передач в монопольном режиме спутникового канала связи // Вестник КИГИТ. 2012. № 1. С. 53-61.

9. Бистерфельд О.А. Программа имитационного моделирования передач данных по каналу связи со спутниковым сегментом. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617030 от 09.09.2011 г. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Поступила в редакцию 3 июля 2014 г.

Bisterfeld O.A. COLLECTING AND DATA RECORDING OF NATURAL AND TECHNOGENIC ENVIRONMENT MONITORING

Data organization and data transfer problems in an information system "The state fund of data of the state environmental monitoring" are analyzed. A method of information resources integration is considered, this method allows accelerating a data interchange.

The transport protocol (with the continuous output of units in communication link and with repetitions only the distorted

units), allowing to lower time of data delivery on communication link with the satellite in a geosynchronous orbit is offered.

Key words: state environmental monitoring; state fund data; integration of data; satellite links; transport protocols; Simulation.

Бистерфельд Ольга Александровна, Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина, г. Рязань, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры информатики и вычислительной техники, е-mail: o.bisterfeld@rsu.edu.ru

Bisterfeld Olga Aleksandrovna, Ryazan State University named for S. Esenin, Ryazan, Russia, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Computer Science and Computer Facilities Department, е-mail: o .bisterfeld@rsu. edu.ru