Методи структурного кодування даних в автоматизованих системах управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

МЕТОДИ СТРУКТУРНОГО КОДУВАННЯ ДАНИХ В АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМАХ УПРАВЛІННЯ

Спеціальність: 05.13.06 - Автоматизовані системи управління й прогресивні інформаційні технології

Юдін Олександр Костянтинович

КИЇВ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Бабак Віталій Павлович, ректор Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, Євдокімов Віктор Федорович, директор інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України;

доктор технічних наук, професор Новіков Олексій Миколайович, директор фізико-технічного інституту Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут";

доктор технічних наук, професор Сидоров Микола Олександрович, декан факультету комп'ютерних наук Національного авіаційного університету

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку суспільства характеризується зростаючою роллю автоматизованих систем управління в інформаційній сфері - сукупністю інформації, інформаційної інфраструктури, суб'єктів, що здійснюють форму-вання, поширення, обробку і використання інформації, а також системи регулю-вання та прийняття рішень у суспільних відносинах, що виникають при цьому. Автоматизовані системи управління є системно утворюючим чинником життя суспільства, що активно впливають на стан політичної, економічної, оборонної й інших складових безпеки держави.

Один з напрямків поліпшення якості управлінських, експлуатаційних і виробничо-господарських процесів у різних галузях діяльності людини полягає в підвищенні ефективності функціонування автоматизованих систем управління (АСУ). В першу чергу це пов'язано із взаємодією АСУ та груп територіально рознесених космічних апаратів й обробкою інформації, отриманої від засобів аерокосмічного моніторингу, з метою забезпеченням ефективної роботи різних міністерств, відомств, забезпеченням безпеки й ефективності функціонування транспортної, нафтогазової й енергетичної галузей. Для забезпечення виконання зазначених напрямків сучасні АСУ містять у собі підсистеми збору, передачі, обробки, зберігання, аналізу, видачі й відображення інформації.

Ґрунтуючись на аналізі вимог до АСУ визначено, що однією із пріоритетних характеристик її функціонування є своєчасна обробка, підвищення ступеню повноти і якості інформації, доведення необхідної кількості корисних даних із заданим ступенем вірогідності до споживача. Це призводить до того, що швидкість зростання обсягів інформаційних потоків на декілька порядків перевищуватиме темпи збільшення швидкості передачі даних каналами зв'язку. Зазначене є однією з основних проблемних сторін функціонування автоматизованих систем обробки інформації й управління.

Таким чином, очевидним є протиріччя між обсягами інфор-маційних потоків, що необхідно передавати з малою похибкою у реальному масштабі часу, та обмеженими технічними можливостями існуючих інформаційно-комунікаційних систем та мереж АСУ. Економічно найвигіднішим напрямком вирішення цього протиріччя є компактне подання корисної інформації, шляхом використання оптимізованих алгоритмів стиснення інформаційних потоків та неспотворена передача корисних даних у зазначені часові терміни. Існуючі технології компактного подання даних не забезпечують необхідного ступеня стиснення інформаційних потоків, отриманих від різних джерел інформації, що потрібно для своєчасного доведення інформації та ефективного прийняття рішень в АСУ.

Значний внесок у розвиток методів стиснення інформації внесли вітчизняні вчені. Серед них: Акушинський І.Я., Александров В.В., Вітіх В.А., Корольов А.В., Котельников В.А., Мановцев А.П., Білецький А.Я., Прокопенко І.Г., Стєклов В.К., Косенко Г.Г., Поляков П.Ф. та ін. Із закордонних дослідників помітний внесок зробили Девісон Л.Д., Зів Дж., Кунт М., Прете У.К., Шенон К., Хартлі Р.Л., Хаффман Д.А., Хемінг Р.В. та ін.

Для підвищення ступеня стиснення й збереження заданої вірогідності передачі корисної інформації, створювані методи компактного подання даних, повинні задовольняти наступним вимогам: організовувати процес стиснення даних на основі усунення структурної надмірності; враховувати в процесі стиснення структурні закономірності одночасно за декількома ознаками; обробляти двійкові дані з метою універсалізації подання інформаційних потоків від різних джерел.

Вибір структурних ознак повинен бути обумовлений: можливістю вилучення інформаційної структурної надмірності без втрати якості; кількісною мірою характеристик із врахуванням закономірностей структури; зменшенням, або повним виключенням залежності щодо знань апріорної інформації для реалізації процесу кодування. Однак, методи стиснення на основі структурного кодування у двійковому структурному просторі відсутні.

Таким чином, дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми: підвищенню ефективності функціонування АСУ на основі новітніх методів стиснення інформаційних потоків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Національному авіаційному університеті, відповідно до планів науково-дослідних робіт, з тем 011 ДБ-01( №101U 002730), 152 ДБ -04 (№0104U003740), 140 ДБ -04 (№0104U003783), 165 Х-04 (№0104U004865), 15866-Д-“Тор-1” (№ 0101U000615).

Мета роботи. Метою дисертаційної роботи є розробка методів підвищення ефективності структурного кодування даних в автоматизованих системах управління на базі двоознакових технологій обробки й передачі інформації.

Досягнення поставленої мети передбачає розв'язання таких завдань:

1. Провести аналіз процесів й технічних вимог до автоматизованих систем управління та на його основі розробити критерії ефективності і показники якості функціонування АСУ, які дозволяють сформувати тип задач, що визначають швидкодію обробки й передачі потоків даних без втрат корисної інформації.

2. Розробити методи одноознакового подання двійкових даних із заданим ступенем вірогідності інформації в інформаційно-телекомунікаційних мережах АСУ.

3. Створити методи двоознакового подання даних у двійковому просторі без зниження необхідного ступеня вірогідності.

4. Розробити методи послідовно-рекурентного двоознакового структурного кодування й декодування двійкових даних без втрат інформації.

5. Розробити методи паралельно-рекурентного двоознакового подання двійкових даних без внесення втрат інформації та зі скороченням часу щодо обробки інформаційних потоків.

6. Розробити методи оцінок та корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій до помилок в інформаційно-телекомунікаційних мережах АСУ.

7. Розробити технологію підвищення ефективності функціонування автоматизованих систем управління на основі методів двоознакового структурного кодування даних з метою забезпечення необхідного часу обробки й достовірної передачі інформації.

8. На основі розроблених технологій, методів двоознакового структурного кодування даних , методів оцінок й корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій розробити програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків у складі АСУ транспортом.

Об'єкт дослідження. Процеси перетворення й передачі даних в автоматизованих системах обробки інформації і управління.

Предмет дослідження. Методи підвищення ефективності обробки інформаційних потоків на основі двоознакового структурного кодування даних та оцінки і корекції завадостійкості кодових конструкцій.

Методи дослідження. Проведені дослідження базуються на сучасних методах теорії інформації й кодування, методах теорії ймовірностей, математичної статистики, комбінаторного аналізу, методах теорії складних систем і методах математичного та комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна. У роботі отримані такі наукові результати:

1. Розроблені методи структурного кодування даних в інформаційно-телекомунікаційних мережах АСУ, які базуються на обмеженнях числа серій одиниць у двійкових послідовностях довільного джерела повідомлень.

2. Розроблено методи одноознакового структурного подання двійкових даних на основі усунення структурної надмірності джерел повідомлень різних класів із заданим ступенем вірогідності інформаційного потоку в інформаційно-телекомунікаційних мережах АСУ.

3. Розроблено методи двоознакового подання двійкових даних в основу яких покладено структурне кодування й декодування інформації в АСУ із забезпеченням підвищення ступеня стиснення інформаційних потоків без втрат корисної інформації.

4. Розроблено методи послідовно-рекурентного двоознакового структурного кодування й декодування двійкових даних, котрі забезпечують скорочення загального часу обробки й передачі даних щодо відомих методів стиснення.

5. Розроблено методи паралельно-рекурентного двоознакового структурного кодування й декодування двійкових даних із забезпеченням підвищення ступеня стиснення довільного джерела повідомлень та додатковим скороченням сумарного часу обробки інформації.

6. Розроблено методи оцінок й корекції завадостійкості кодових конструкцій структурних чисел, які базуються на двоознаковому структурному представлені даних і властивостях двійкових послідовностей та забезпечують достовірну передачу без втрат інформації.

7. Розроблено технологію підвищення ефективності функціонування АСУ на основі методів двоознакового структурного кодування з забезпеченням необхідного часу щодо обробки й неспотвореної передачі визначених обсягів даних (бітових потоків) сформованих від різних джерел інформації.

8. Розроблено та впроваджено програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків у складі АСУ транспортом на основі розроблених технологій, методів двоознакового структурного кодування даних, методів оцінок й корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій з метою підвищення ефективності функціонування АСУ та оптимізації процесу перевезень у регіоні управління.

Практичне значення отриманих результатів досліджень полягає в тому, що:

1. Розроблені методики та програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків різних класів на основі двоознакового структурного кодування й відновлення різних типів даних у двійковому просторі, які призначені для забезпечення ефективного ступеня стиснення без втрати корисної інформації в інформаційних мережах АСУ.

2. Розроблені технології та програмно-апаратний комплекс паралельно-рекурентного двоознакового структурного кодування двійкових даних в АСУ при обробці й передачі інформаційних потоків.

3. Створено технологію підвищення ефективності функціонування автоматизованих систем управління та програмно-математичний комплекс для визначення кількісних значень оцінок ефективності компактного подання даних та завадостійкості кодових конструкцій в автоматизованих системах управління.

Розроблені технології, програмно-апаратні комплекси використовуються під час проведення досліджень та на підприємствах і організаціях: Державне науково-виробниче об'єднання “Комунар” НТ СКБ “ПОЛІСВІТ” м. Харків, Державне підприємство завод “АРСЕНАЛ” м. Київ, УДППЗ “УКРПОШТА” м. Київ, Державне ТГО Південно-західна залізниця, у реалізації програмно-апаратного комплексу захисту інформації Державної служби спеціального зв'язку й захисту інформації України, а також у навчальному процесі Національного авіаційного університету

Особистий внесок автора. Основні положення й результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Роботи, виконані разом із співавторами, наведені в переліку публікацій. З робіт, що опубліковані у співавторстві, використовуються результати, отримані особисто здобувачем.

Апробація дисертації. Результати практичних і теоретичних досліджень, викладені в дисертаційній роботі, доповідалися й обговорювалися на 8 міжнародних науково-технічних конференціях. У тому числі: ІV Міжнародна науково-практична конференція “Безпека інформації в інформаційно-телекомунікаційних системах” (Київ 2001 р.); VI Міжнародна науково-практична конференція “Системи й засоби передачі й обробки інформації” (Одеса, 2002 р.); Міжнародна наукова конференція “Теорія й техніка передачі, прийому й обробки інформації”. (Харків 2003 р.); VIII Міжнародна науково-практична конференція “Системи й засоби передачі й обробки інформації”(Одеса, 2004 р.); Х Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології в економіці, менеджменті й бізнесі” Європейського університету. (Київ 2005 р.); ІХ Міжнародна науково-практична конференція “Системи й засоби передачі й обробки інформації”, (Черкаси 2005 р.); VII Міжнародна науково-технічна конференція “АВІА-2006“ (Київ НАУ, 2006 р.); VІІІ науково-практична конференція “Комплексні системи безпеки об'єктів інформаційної та господарської діяльності“ (Київ 2006 р).

Публікації. За темою дисертації опубліковано більше 60 наукових праць, у тому числі 2 монографії та 31 стаття в спеціалізованих журналах, з них 7 самостійних, включаючи наукову монографію. Перелік основних 38 публікацій наведений в авторефераті.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини, що містить 6 розділів, висновку, списку літератури й 3-х додатків. Загальний обсяг роботи з додатками - 380 сторінок. Робота містить 49 рисунків й 73 таблиці. Список літератури включає 188 бібліографічних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, поставлені мета й завдання досліджень, позначені наукова новизна й практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про їх апробацію й впровадження.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану АСУ, приведена їх загальна класифікація та характеристики. Встановлені залежності ефективності функціонування АСУ від процесу обробки й передачі даних. Визначені напрямки підвищення якості управлінських та виробничо-господарських процесів за рахунок вдосконалення функціональних можливостей та технічних характеристик автоматизованих систем. До основних характеристик АСУ належать: надійність роботи, забезпечення заданого ступеня вірогідності інформації, швидкодія обчислювальних процесів, швидкість передачі (розподілу) інформації. Виявлені протиріччя між обсягами інфор-маційних потоків, що необхідно передавати з як завгодно малою похибкою у реальному масштабі часу, та обмеженими технічними можливостями існуючих інформаційно-комунікаційних систем та мереж АСУ. Показано, що одним з ефективних напрямків зниження обсягів даних без зменшення ступеня вірогідності, є кодування джерела повідомлення на основі двоознакового структурного подання даних. Розроблені показники і критерії ефективності функціонування АСУ. Обґрунтована постановка задачі.

Другий розділ присвячений розробці методів одноознакового структурного кодування двійкових даних за кількістю серій одиниць з метою підвищення ступеню стиснення інформаційних потоків в АСУ . Визначено додатковий облік обмежень на кількість серій одиничних елементів у двійкових послідовностях чисел забезпечує збільшення ступеня стиснення інформаційного потоку. Проведено оцінку ступеня стиснення двійкових даних в інформаційних мережах АСУ на основі розробленого кодування.

Встановлено, що суть кодування полягає у формуванні коду-номера всієї двійкової послідовності із заданим значенням структурної ознаки. Визначено, що структурними ознаками є: вектор заборон появи на певній позиції одиничного елемента (;- ознака заборони появи на -й позиції одиничного елемента; якщо, те на -й позиції заборонена поява одиниці й навпаки); кількість серій одиниць у двійковій послідовності. Кодування з урахуванням заборон на позиції одиниць відповідає структурному представленню двійкових даних. Двійкова послідовність чисел розглядається, як структурне число елементи якого набувають значення.

За результатами досліджень, отримано систему виразів одноознакового структурного кодування двійкових даних у структурному просторі, що забезпечує формування коду-номера відповідно двійковому структурному числу, елементи якого задовольняють заданій структурній ознаці (система виразів, що визначає номер заданої двійкової послідовності в безлічі одноознакових структурних чисел).

Встановлено, що безлічі двійкових послідовностей у структурному просторі за кількістю серій одиниць відповідає пронумерована безліч двійкових послідовностей (1,2), що містять задану кількість серій одиниць та не проходять через позиції із забороною одиниць.

де - значення числа серій одиниць для -ї припустимої зони двійкової послідовності; - вектор, елементами якого є k-та комбінація кількостей серій одиниць у припустимих зонах,; Z - кількість припустимих зон у двійковій послідовності; - кількість двійкових елементів в -й припустимій зоні; - кількість припустимих двійкових послідовностей, отриманих для -ї припустимої зони за кількістю серій одиниць, рівній для вектора. Показано, що величина дорівнює кількості двійкових підпослідовностей, що утворюють відповідну -у зону, у яких число серій одиниць дорівнює. У зв'язку із цим -м елементом безлічі є величина коду-номера, для якого виконується нерівність

Визначено, що кодування двійкових структурних чисел за кількістю серій одиниць є система виразів, що дозволяє визначити код-номер оброблюваної двійкової послідовності з виявленими обмеженнями на позиції одиниць та на кількість серій одиниць у безлічі двійкових структурних чисел, що містять задану кількість серій одиниць.

Встановлено, що одноознакове подання двійкових даних у структурному просторі є взаємооднозначним, а саме: за заданим кодом номером можна відновити тільки одну вихідну двійкову послідовність відповідну даній кодовій конструкції без внесення похибки, тобто

де , ;,;, , - відповідно оператори кодування й декодування двійкових структурних чисел з урахуванням обмеженої кількості серій одиниць;, - відповідно вихідна й відновлена двійкові послідовності;, - -е елементи відповідно до вихідної і відновленої двійкових послідовностей, що належать -й припустимій зоні.

Розроблено систему правил та алгоритмів відновлення двійкових структурних чисел з обмеженою кількістю серій одиниць. Встановлено, що мінімальне значення коефіцієнта стиснення у результаті одноознакового кодування двійкових даних у структурному просторі дорівнює:

де - кількість двійкових чисел довжиною елементів з кількістю серій одиниць у структурному просторі із заданим вектором обмежень .

Встановлено, що величина є нижньою межою для значення коефіцієнта стиснення :

За рахунок розробленого кодування забезпечується додаткове підвищення ступеня стиснення щодо структурного кодування й структурного кодування за кількістю серій при цьому, виконуються відповідні нерівності:

Кількість розрядів, що відведено для подання відповідно структурного й структурного числа з обмеженою кількістю серій одиниць та складені із двійкових елементів кожне. На підставі математичного моделювання й проведеного аналізу побудовані графіки залежностей величини мінімального коефіцієнта стиснення від й (рис. 1). З аналізу отриманих результатів випливає таке.

По-перше, максимальне значення додаткового коефіцієнта стиснення забезпечується зі збільшенням кількості позицій із забороненою появою одиниць.

Для й при переході від до величина збільшується в 3,1 рази, для й при переході від до величина збільшується в 2,67 рази, а для й при переході від до величина збільшується в 2,47 рази.

По-друге, для фіксованих значень кількості заборонених позицій одиниць в z-й зоні найбільші значення величини досягаються із збільшенням кількості серій одиниць.

Для й зі збільшенням кількості серій одиниць від до величина збільшується в 1,98 рази. Аналіз отриманих результатів показує, що величина для, збільшується в 1,15 разів при зменшенні довжини припустимої зони від до (рис. 2). Отже, за результатами досліджень сформовано метод одноознакового структурного кодування двійкових даних по кількості серій одиниць.

Встановлено, що розроблена система правил є взаємооднозначною для процедур кодування і декодування інформаційних потоків в АСУ.

Встановлено, що додатковий облік обмежень на кількість серій одиничних елементів у двійкових послідовностях чисел забезпечує збільшення ступеня стиснення даних в АСУ без втрат інформації.

У третьому розділі наведено розробку методів двоознакового структурного кодування двійкових даних з метою додаткового збільшення ступеня стиснення інформації в АСУ. Структурними ознаками для двійкових послідовностей виступають: кількість серій одиниць у кожній припустимій зоні й межі припустимих зон.

Встановлено, що додаткове збільшення ступеня стиснення двійкових даних без внесення похибки в АСУ досягається в результаті обліку припустимих комбінацій тільки для одного вектора обмежень на число серій одиниць у припустимих зонах.

Виведено аналітичні вирази, що дозволяють формувати код-номер для двійкових послідовностей, що задовольняють одночасно двом структурним ознакам.

Встановлено, що двоознакове подання двійкових структурних чисел є взаємооднозначним, тобто відновлення вихідних даних здійснюється без внесення похибки в інформаційний потік АСУ.

Розроблено метод відновлення двійкових даних на основі двоознакового структурного декодування. Показано, що двійкові послідовності, що задовольняють системі структурних обмежень на число серій одиниць у припустимих зонах є двоознаковими двійковими структурними числами.

Безліч, складена із двійкових послідовностей, що одночасно задовольняє структурним обмеженням на: позиції із припустимою появою одиничних елементів, що задається вектором обмежень на діапазон значень оброблюваних елементів ; сумарне число серій одиниць у всій оброблюваній послідовності (перша структурна ознака); число серій одиниць у кожній припустимій зоні (друга структурна ознака - задається вектором значень величин) - визначена , як безліч двоознакових двійкових структурних чисел.

Встановлено, що двоознаковою структурною нумерацією даних у двійковому структурному просторі є процес обчислення порядкового номера відповідно до двоознакового двійкового структурного числа в припустимій безлічі, що складається з двійкових послідовностей задовольняючій системі обмежень:

де - обмеження на позиції, що допускають появу одиничних елементів; - припустиме значення обмеження на число серій одиниць в -й зоні; - значення числа серій одиниць в -й зоні, обчислене для конкретної оброблюваної -ї двійкової послідовності.

На основі аналізу встановлено, що значення коду-номера двоознакового двійкового структурного числа буде меншим у порівнянні зі значенням коду-номера одноознакового структурного числа

Встановлено взаємооднозначність двоознакового структурного подання двійкових даних у структурному просторі. Для обраного лексикографічного правила нумерації, заданих обмежень на число серій одиниць у кожній припустимій зоні й обмежень на розташування одиничних елементів у двійковій послідовності, можна сформувати тільки один код-номер відповідно до даної послідовності.

Визначено, що для двійкової послідовності розглянутої, як двоознакове структурне число із заданими структурними параметрами й обмеженнями, що накладені на них ( довжина послідовності обмеження на позиції із припустимою появою одиничних елементів та обмеження на число серій одиниць у припустимих зонах) - можна сформувати тільки один код-номер відповідно до цієї послідовності.

Розроблено систему правил відновлення двійкових двоознакових структурних чисел (рис. 3). Двійкову послідовність, що задовольняє системі обмежень можна відновити без внесення похибки на основі значень коду-номера, з урахуванням відомих значень величин: довжини послідовності , вектора обмежень на позиції одиниць і вектора обмежень на число серій одиниць у припустимих зонах. На основі визначених переваг двоознакового відновлення відносно одноознакового поелементного відновлення встановлено, що є можливість здійснювати відновлення елементів -ї припустимої зони незалежно від процесу відновлення попередніх зон.

Таким чином, для додаткового підвищення ступеня компактного подання й зниження часу на кодування необхідно на одноознакові структурні двійкові послідовності накладати додаткове обмеження на комбінацію числа серій одиниць у припустимих зонах.

Встановлено, що: верхньою межою обсягу безлічі двоознакових чисел є обсяг безлічі одноознакових структурних чисел; кількість розрядів, що відведено на подання коду-номера двоознакового двійкового структурного числа не буде перевищувати кількість розрядів, що витрачаються на подання коду-номера одноознакового двійкового числа в структурному просторі.

Розроблено методику оцінки ступеня компактного подання двоознакових структурних чисел. Здійснено порівняльну оцінку характеристик розробленого компактного подання даних з відомими методами. На основі досліджень та математичного моделювання побудовані графіки залежності величин мінімальних ступенів стиснення.

Коефіцієнти, , , показані на рис.4, характеризують стиснення інформаційного потоку на основі структурного кодування, кодування з урахуванням обме-женого числа серій одиниць, одноознакового й двоознакового кодування у двійковому структур-ному просторі відповідно. Дані коефіцієнти є функції від параметрів: кодування довжини двійкової послідовності , числа серій одиниць , кількості припустимих зон, кількості заборонених двійкових елементів і вектора обмежень на число серій одиниць у припустимих зонах. На основі проведених досліджень встановлено наступне. По-перше, при фіксованих параметрах, , значення мінімального ступеня стиснення для двоознакового подання збільшується в середньому на 30% при збільшенні кількості заборонених двійкових елементів в інформаційних потоках АСУ (рис.4).

По-друге, при фіксованих параметрах, і мінімальне значення ступеня стиснення для двоознакового структурного кодування збільшується на 20% із збільшенням кількості припустимих зон (рис.5).

По-третє, у випадку обробки двійкового подання компонент ортогональних перетворень, двоознакове кодування досягає найбільшого значення мінімального ступеня стиснення - 6,25 разів .

У четвертому розділі розглянуто методи додаткового зниження кількості операцій обчислення двійкових даних з метою мінімізації загального часу на обробку і передачу кодових послідовностей в АСУ баз втрат інформації.

Розроблено методи швидкого кодування й декодування двоознакових структурних чисел. Ці методи базуються на рекурентному знаходженні вагових коефіцієнтів елементів двоознакових чисел у двійковому структурному просторі на основі позонної обробки вихідних послідовностей. Проводиться оцінка ефективності характеристик розроблених методів відносно існуючих технологій для інформаційних мереж АСУ.

Встановлено, що недоліком двійкового двоознакового подання даних у структурному просторі, є те, що обчислення вагових коефіцієнтів для визначення коду-номера двійкових елементів проводиться на основі обчислення факторіальних виразів. У цьому випадку застосовується велика кількість операцій додавання, множення й ділення.

Розроблено методику зниження кількості операцій обчислення у випадку послідовної обробки, що полягає в організації рекурентного обчислення величин вагових коефіцієнтів. Дана процедура приводить до скорочення надлишкової кількості операцій на кодування.

Розроблено систему вирішальних правил щодо формування коду-номера двійкового двоознакового числа в структурному просторі (з урахуванням виключення надлишкової кількості операцій) на основі рекурентних виразів.

Отримана система виразів забезпечує послідовне поелементне рекурентне кодування двоознакових двійкових структурних чисел і дозволяє проводити обробку (обчислення вагових коефіцієнтів) елементів -ї зони після обробки елементів (де) попередніх зон.

Така незалежна обробка елементів окремих зон відповідає властивості структуризації двоознакових чисел.

Максимальна кількість операцій для рекурентної обробки двоознакових структурних чисел у напрямі, починаючи з молодших розрядів зменшується: в порівнянні з факторіальною обробкою від 5 до 15 разів залежно від довжини оброблюваної послідовності; в порівнянні з рекурентною обробкою в напрямі, починаючи із старших розрядів в середньому в 1,58 разів.

Показано, що послідовність складається з елементів -ї зони є укрупненим елементом структурного числа. Оскільки за визначенням елементи -ї зони задовольняють систему обмежень на число серій одиниць у припустимих зонах, то їм відповідає код-номер

Визначено, оскільки величина коду-номера -ї зони за значенням обмежено зверху величиною, то накопичений добуток є його ваговим коефіцієнтом. Це дозволяє організувати позонне рекурентне формування кодів-номерів .

Встановлено, що величина визначається, як незалежна від величин інших зон, ,.

Звідси визначено, що існує можливість організувати паралельне рекурентне двоознакове структурне кодування двійкових даних у структурному просторі.

Розроблено паралельно-рекурентне двоознакове кодування даних у двійковому структурному просторі в основу якого покладена паралельна обробка припустимих зон двійкового двоознакового струк-турного числа та рекурентна обробка двійкових елементів у межах припустимої зони. Встановлено, що тимчасові витрати для паралельно-рекурентної обробки зменшуються в середньому в разів відносно існуючих методів. Розроблене паралельно-рекурентне двоознакове декодування має позонний характер, зворотній запропонованому методу кодування (рис. 9). Визначено, що метод послідовного двоознакового деко-дування двійкових даних у структурному просторі, забезпечує скорочення кількості операцій у середньому на 80% (рис. 10).

Отже, оскільки дані структурні числа мають властивість зонності, характерну для структурних чисел, існує можливість організовувати паралельно-рекурентне подання елементів для кожної зони, яке не залежить від розрахунку елементів в інших зонах та забезпечує зниженнякількості операцій на відновлення вихідних послідовностей і забезпечує скорочення загального часу на обробку та передачу інформації в мережах АСУ.

П'ятий розділ присвячений розробці методів оцінок і корекції завадостійкості структурних кодових конструкцій до помилок у каналі передачі даних АСУ. При цьому враховується як особливості моделі появи помилок у кодах при їх передачі по каналу зв'язку, так і властивості процесу відновлення структурних кодових комбінацій. Проводиться порівняльна оцінка вірогідності інформації у випадку передачі вихідних даних у незжатому виді, передачі кодів одноознакових і двоознакових чисел у двійковому структурному просторі.

Розроблений метод структурного відновлення дозволяє без перекручувань одержати вихідний фрагмент джерела повідомлення довільного алфавіту. Однак у випадку передачі кодових комбінацій стислих даних по каналах зв'язку з помилками, можуть виникнути перекручування, що впливають на вірогідність відновлюваної інформації. Встановлено, що для достовірного одержання інформації, структурне компактне подання даних повинно мати не тільки властивість взаємооднозначного відновлення, але й бути завадостійким до помилок у каналі зв'язку. Розглянуті властивості завадостійкості двоознакових структурних кодів у випадку їхньої передачі по каналу зв'язку з помилками.

Визначено, що в процесі двоознакового структурного кодування двійкових даних у структурному просторі для двійкової послідовності, елементи якої задовольняють системі обмежень формується код-номер:

При цьому в канал зв'язку, у випадку відсутності завадостійкого кодування, передається двійкове кодове подання коду-номера:

При передачі даних каналами зв'язку можуть виникнути помилки. Тоді буде прийняте кодове слово, що відрізняється від вихідного кодового слова значеннями одного або більше розрядів, , де - кількість перекручених розрядів, рівних кількості розрядів, які відрізняють вихідні й прийняте кодові слова. У загальному випадку величина змінюється в наступних межах:. Якщо, то отримане на прийомній стороні значення коду-номера не буде дорівнювати вихідному значенню коду-номера:

Встановлено, що величина спотворення значення коду-номера двоознакового структурного числа визначається значенням помилки, рівної абсолютному значенню різниці між величинами й:

Згідно з системою правил двоознакового структурного кодування, формується код-номер для двійкового структурного числа, отже, якщо, то після проведення двоознакового структурного декодування відновлюється число, що може відрізнятися від вихідної послідовності значеннями двійкових елементів.

Встановлено, що кількість двійкових елементів відновлених з помилкою дорівнює кількості двійкових елементів, для яких виконується нерівність, , Оскільки довжина двоознакового структурного числа дорівнює, то кількість елементів, якими відрізняються вихідні й відновлена двійкові послідовності, змінюється в межах . На основі аналізу виявлено, що помилки в кодовому слові можуть відбутися як у не значимих ,так й у значимих розрядах. Не значимими є старших розрядів коду . Встановлено, що існує можливість виявити будь-яку кількість таких помилок у старших розрядах, для яких виконується умова

Показано, що при виникненні похибки, буде відновлена двійкова послідовність, для якої та знайдеться хоча б один двійковий елемент, яким будуть відрізнятися вихідні й прийнята двійкові послідовності. Тоді можливі два варіанти прояву помилок каналу зв'язку. Для першого варіанта цікавим є абсолютне значення, що представлено у двійковому виді послідовністю. Для другого варіанта кожен компонент послідовності розглядається як окремий елемент оброблюваних даних.

Встановлено межі відхилення коду-номера. Визначено, що для будь-якої кількості помилок, що виникли у двоознаковій структурної кодової конструкції (при її передачі по каналу зв'язку) величина відхилення коду-номера перебуває в таких межах

де, - значення коду-номера з урахуванням обмеження на число серій, що дорівнює, відповідно для початкової й кінцевої двійкової послідовності множини двоознакових структурних чисел у двійковому структурному просторі.

Визначено границі локалізації впливу помилки каналу зв'язку. Встановлено, що для будь-якої кількості помилок, що виникли у двоознаковій структурній кодовій конструкції (при її передачі по каналу зв'язку) для абсолютної величини відхилення від вихідного значення, виконується нерівність

Встановлено, що властивість локалізації впливу помилки каналу зв'язку при декодуванні двоознакових структурних кодових комбінацій проявляється в обмеженні знизу й зверху можливих значень величини відхилення відновленого числа від вихідного, що задається нерівностями (13-14). Показником завадостійкості є значення кількості двійкових елементів відновлених з помилкою. Якщо довжина двоознакового числа дорівнює , то величина змінюється в межах. Визначено, що для варіанта передачі по каналу зв'язку вихідних - елементних послідовностей без стиснення ймовірність того (15), що помилка відбудеться у двійкових елементах дорівнює

Визначено, що серед помилок різної кратності найбільшу ймовірність мають однократні помилки. Це відповідає, як вихідним послідовностям, які передаються по каналу зв'язку не в стислому виді, так й одноознаковим і двоознаковим структурним числам.

Порівняльні оцінки ймовірностей, , появи помилок кратності для випадку передачі каналами зв'язку вихідних двійкових даних у не стисненому виді, передачі кодових конструкцій одноознакових і двоознакових структурних чисел у двійковому просторі наведені на рис. 11. На основі аналізу наведених залежностей визначено, що ймовірність однократних помилок при відновленні одноознакових структурних чисел перевищує ймовірність однократних помилок у вихідних нестиснених послідовностях у середньому від 1,3 до 2,27 разів.

Встановлено, що із збільшенням довжини структурного числа програш по ймовірності однократних помилок для одноознакових структурних чисел скорочується в середньому в 2 рази. Визначено, що при відновленні двоознакових кодових конструкцій імовірності помилок великого ступеня кратності (від трьох і вище) дорівнюють нулю. Мінімальний ступінь кратності помилок, починаючи з якої ймовірності їхньої появи будуть дорівнювати нулю, залежить від довжини оброблюваної послідовності й від структурних обмежень, що накладають на їхні елементи. Ця закономірність викликана тим, що при накладенні обмежень на позиції із припустимою появою одиниць відбувається скорочення кількості допустимих послідовностей, які відрізняються між собою різною кількістю двійкових елементів; зменшення максимального ступеня кратності помилок, якими можуть відрізнятися між собою двоознакові структурні числа.

Отже, на відміну від одноознакових чисел, двоознакові структурні числа мають властивість самокорекції помилок.

У цьому випадку ймовірність і кількість помилок після відновлення двоознакових структурних чисел буде меншою, ніж ймовірність і кількість помилок у кодовому слові отриманому каналами зв'язку.

Тому для ймовірності помилки одного розряду, не перевищуючої , кодові конструкції двоознакових структурних чисел допускається передавати по каналу зв'язку без внесення додаткових коригувальних розрядів (без зниження ступеня стиснення). За рахунок властивостей самокорекції помилок великого ступеня кратності, допускається використання меншої кількості коригувальних розрядів або повна їх відсутність.

Встановлено, що залежно від структурних характеристик двоознакові кодові конструкції можуть мати більшу завадостійкість у порівнянні з випадком передачі каналами зв'язку нестиснених двійкових послідовностей. Це проявляється в зменшенні ймовірності однократних помилок і рівності нулю помилок великої кратності.

У шостому розділі розроблено технологію підвищення ефективності функціонування АСУ на основі методів двоознакового структурного кодування даних, методів оцінок й корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій, що дозволило забезпечити необхідний час обробки й неспотворену передачу визначених обсягів даних (бітових потоків) сформованих від різних джерел інформації. Розроблено програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків у складі структурно-логічної схеми функціонування АСУ на транспорті, залежно від характеристик процесів обробки й подання даних.

Проведено класифікацію цієї системи, установлено її мета й завдання щодо підвищення завадостійкості та вірогідності інформації, швидкодії процесів обробки і передачі (розподілу) даних без втрат для забезпечення процесу якісного прийняття рішень в АСУ.

Обґрунтовано роль і місце розробленої підсистеми стиснення інформаційних потоків на основі двоознакового структурного кодування й декодування даних.

На основі розробленої технології показано шляхи побудови та підвищення ефективності якості функціонування АСУ з урахуванням кількісних оцінок параметрів підсистеми стиснення даних, обраних показників якості і сформульованих критеріїв (рис. 12). На базі визначеної технології розроблена структурно-логічна схема АСУ транспорту, що містить у собі велику кількість розташованих на значній відстані елементів і підсистем, у тому числі й територіально рознесені космічні сегменти.

Запропоновану АСУ транспорту за видом об'єкта діяльності можливо класифікувати, як багатофункціональну інтегровану систему управління виробничо-господарською діяльністю, де обробляються дані як про технологічні процеси, так і про виробничо-господарську діяльність.

Визначено, що ґрунтуючись на розроблених методах і програмно-апаратному комплексі й розв'язуваних ними завдань щодо забезпечення підвищення коефіцієнта стиснення й додаткового скорочення часу на обробку даних, підсистему стиснення інформаційних потоків можна класифікувати як систему, що забезпечує рішення завдань функціональних підсистем АСУ.

Показано, що інформаційні потоки отримані від угруповання космічних апаратів можна класифікувати, як потоки спеціального призначення, що забезпечують рішення стратегічних завдань управління. Однак, поряд із стратегічними завданнями, ця інформація може служити й для прийняття оперативних рішень щодо управління транспортною системою: різко змінні аномальні або атмосферні явища, пожежна небезпека, екологічні катастрофи й аварійні ситуації в зоні великих транспортних вузлів і т.д..

Доведено, що на основі відео-інформаційної взаємодії, датчиків контролю поїзних і диспетчерських пунктів, датчиків транспортних вузлів і магістралей тощо, може бути організоване отримання інформаційних потоків другого класу - стандартних потоків, що призначені для рішення тактичних завдань в АСУ транспортом. До третього класу даних в АСУ транспортом віднесено інформаційні потоки, що забезпечують даними функціональні автоматизовані підсистеми. Для кількісної оцінки ефективності підсистеми стиснення даних у процесі функціонування АСУ були обрані показники якості і визначені критерії ефективності. Показано, що основним показником якості технології компактного подання даних є здатність підсистеми стиснення забезпечити зниження величини сумарного часу процесу обробки і передачі інформаційних потоків в АСУ.

Показано, що для розробленого методу компактного подання даних на основі двоознакового структурного кодування сумарний час на обробку й передачу реалістичних зображень (обсягом Мбіт, швидкість обробки оп/с, швидкість передачі даних по інформаційним мережам - 2,048 Мбт/с 61 Мбіт/с) змінюється в межах від 0,04 до 20 с.

При цьому виграш за часом обробки й передачі даних для розробленого методу щодо відомих досягає в середньому від 2.1 до 4.2 разів залежно від співвідношення характеристик інформаційно-телекомунікаційних мереж АСУ. інформація двознаковий кодовий конструкція

Визначено, що величина сумарного часу процесу функціонально залежна від коефіцієнту стиснення даних. Величина визначається, як відношення обсягу вихідних даних до обсягу стиснених даних.

Отже: ступінь стиснення для двоознакового структурного кодування двійкових даних у структурному просторі, залежно від виду оброблюваних даних перебуває в межах від 2,2 до 5 разів.

При цьому найбільше скорочення обсягів даних досягається при обробці реалістичних зображень попередньо представлених у спектральному виді (до 6.25 разів).

При цьому, для розробленого методу компактного подання в порівнянні з відомими методами, виграш по величині стиснення в середньому дорівнює 2,5 рази.

Показано, що важливим є показник вірогідності одержуваних даних. У роботі обґрунтовано, як показник якості процесів в АСУ, ймовірність перекручування заданої кількості двійкових елементів у кодових комбінаціях.

На основі введення цього показника розроблені методи оцінок й корекції завадостійкості двійкових послідовностей, які дають можливість локалізувати вплив і уможливити процедуру самокорекції помилок в кодових словах при їх передачі в інформаційних мережах АСУ.

Встановлено, що базуючись на проведених дослідженнях та відповідно до висунутих вимог і особливостей рішення завдань стиснення даних в інформаційних мережах АСУ було досягнуто поставлених умов для визначених критеріїв ефективності функціонування АСУ: 1) у випадку відомого часу , необхідного для передачі обсягу інформації - відповідність між необхідною величиною й часом виду:

забезпечується технологією компактного подання даних на основі двоознакового структурного кодування й декодування даних.

2) у загальному випадку - досягається мінімізація часу обробки й передачі даних

З виконанням співвідношень (16) і (17) виконуються і умови обмежень,

що накладаються на швидкість обробки і передачі даних по інформаційно-телекомунікаційним мережам АСУ, а також виконуються вимоги по забезпеченню ступеню вірогідності інформації.

де - задане значення відношення сигнал/шум; - відповідно задані для конкретної інформаційно-телекомунікаційної мережі - швидкість виконання машинних операцій, швидкість передачі даних й заданий обсяг даних.

Показано, що в результаті компактного подання даних досягається зниження їх обсягів, що приводить до скорочення кількості пакетів даних, зниження ступеня інтенсивності завантаження каналів зв'язку, зменшення часу затримки пакетів на транзитивних вузлах інформаційно-телекомунікаційних мереж АСУ.

Реалізація програмно-апаратного комплексу підсистеми стиснення даних на базі двоознакового структурного кодування, забезпечує підвищення ефективності функціонування АСУ транспорту на основі відповідності заданого часу обміну оперативною інформацією, її вірогідності для інтервального регулювання руху поїздів на перегонах зі зверненням вантажних, пасажирських і високо-швидкісних потоків.

На основі розробленої технології, методів двоознакового структурного кодування даних , методів оцінок й корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій розроблено та впроваджено програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків у складі АСУ транспортом УДППЗ “УКРПОШТА” та Державного ТГО Південно-західна залізниця, що дозволило забезпечити ступень стиснення даних без втрат інформації у межах від 2,2 до 6.25 разів та додаткове підвищення ступеня стиснення без внесення похибок щодо відомих технологій компактного подання в середньому в 2,5 рази.

Впровадження програмно-апаратного комплексу підсистеми стиснення інформаційних потоків дозволило підвищити ефективність функціонування АСУ та оптимізувати процес перевезень в регіоні управління.

ВИСНОВКИ

1. Розроблені критерії ефективності та показники якості функціонування АСУ, які дозволили сформувати тип задач що визначають швидкодію обробки й передачі потоків даних без втрат корисної інформації.

2. Розроблено методи компактного подання двійкових даних з обмеженим числом серій одиниць на основі структурного кодування й взаємооднозначного декодування даних у двійковому просторі, що дозволило формувати код-номер двійкової послідовності чисел за заданими значеннями числа серій одиниць і за заданими обмеженнями на кількість припустимих зон. Це дозволило одержати рівень мінімального значення коефіцієнта стиснення даних без втрати інформації на базі одноознакового структурного кодування у межах 2,2 разів для інформаційно-телекомунікаційних мереж АСУ.

3. Вперше розроблені методи двоознакового структурного кодування даних без втрат інформації на основі скорочення структурної надмірності в інформаційних потоках АСУ, що дозволило підвищити ступень компактного подання даних і зменшити час на процес кодування (відносно одноознакового структурного методу) на основі накладення додаткових обмежень на комбінації серій одиниць у припустимих зонах.

4. Вперше розроблені методи двоознакового структурного декодування на основі взаємооднозначності подання двійкових даних, що дозволило без втрат інформації за заданим значенням коду-номера й значенням структурних ознак, відновити елементи двоознакової послідовності чисел.

5. Розроблено методи послідовно-рекурентного двоознакового структурного подання двійкових даних на основі врахування залежності між ваговими коефіцієнтами сусідніх елементів двоознакової послідовності, що дало можливість скоротити кількість операцій обчислення та зменшити загальний час обробки інформації в інформаційних мережах АСУ.

6. Вперше розроблені методи паралельно-рекурентного двоознакового кодування даних у двійковому просторі на основі проведення паралельно-рекурентної обробки припустимих зон двійкової двоознакової послідовності структурних чисел, що дозволило скоротити загальний час обробки і передачі інформації в інформаційно-телекомунікаційних мережах АСУ на 80% відносно одноознакового структурного кодування.

7. Розроблено методи паралельно-рекурентного відновлення елементів двійкової двоознакової послідовності чисел з позонною обробкою на базі структурного декодування, що дозволило отримати виграш за часом обробки й передачі інформації в АСУ для розробленого методу відносно відомих в середньому від 2.1 до 4.2 рази.

8. Розроблено методи оцінок й корекції завадостійкості двоознакових двійкових послідовностей, які враховують особливості формування кодових слів і процесу декодування структурних чисел, що дозволило підвищити завадостійкість структурних кодових конструкцій, локалізувати вплив та зробити можливим самокорекцію помилок що виникли у кодових словах при передачі даних в інформаційних мережах АСУ.

9. Вперше розроблено технологію підвищення ефективності функціонування АСУ на основі методів двоознакового структурного кодування, що дозволило забезпечити необхідний час обробки й неспотворену передачу визначених обсягів даних (бітових потоків) сформованих від різних джерел інформації.

10. На основі розроблених технологій, методів двоознакового структурного кодування даних, методів оцінок й корекції завадостійкості двоознакових кодових конструкцій розроблено та впроваджено програмно-апаратний комплекс підсистеми стиснення інформаційних потоків у складі АСУ транспортом УДППЗ “УКРПОШТА” та Державного ТГО Південно-західна залізниця, що дозволило забезпечити ступінь стиснення даних без втрат інформації у межах від 2,2 до 6.25 разів та забезпечити додаткове підвищення ступеня стиснення щодо відомих технологій в середньому в 2,5 рази. Впровадження програмно-апаратного комплексу підсистеми стиснення інформаційних потоків дозволило підвищити ефективність функціонування АСУ та оптимізувати процес перевезень в регіоні управління.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Юдін О.К. Кодування в інформаційно-комунікаційних мережах:-Монографія. - К.: НАУ, 2007.-308с.

2. Юдін О.К. Послідовний критерій аналізу інформативності параметрів сигналів// Вісник НАУ. - 2006. - №1 (27).- С. 18-21

3. Юдін О.К. Обгрунтування ефективності двоознакового структурного кодування у двійковому поліадичному просторі// Проблеми інформатизації та управління. - К.:НАУ, 2006.- Вип. 2(17). - С.137-141

4. Юдин А.К. Оценка степени компактного представления двухпризнаковых полиадических чисел // Збірка наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова. Спецвипуск “Сучасні тренажерно-навчальні комплекси та системи”.- К., 2006.- Т. 2.-С.70-76

5. Юдін О.К. Алгоритми ідентифікації сигналів та керуючих повідомлень у телекомунікаційних системах і мережах // Моделювання та інформаційні технології.- К., 2006. - Вип.№37.- С.9-16