Управление данными методом непосредственной расстановки

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА Серия Прикладная математика. Информатика

№ 120

УДК 629.735.015:681.3

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ МЕТОДОМ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ РАССТАНОВКИ

П.Е. ЧЕРНИКОВ

Статья представлена доктором технических наук Рудельсоном Л.Е.

В процессе сопровождения воздушных судов программные средства обработки данных (радиолокаторов, спутниковой навигации, планов полетов, диспетчерских вводов) рассчитывают характеристики движения целей на основе разных математических схем. Рассогласования полетной информации нарастают и приводят к ошибкам отображения. В статье обсуждается способ стабилизации общей картины за счет использования новой формы представления данных.

1. Введение

Компьютерная обработка информации о воздушных судах (ВС), совершающих полеты, связана с риском потери целостности данных. Каждый комплекс программ сопровождает собственную копию описания объектов о каждом аэродроме, о каждом источнике радиометрической и плановой информации, о ситуации в секторах, - и в базе данных (БД) создаются автономно обновляемые и дополняющие друг друга описания. Частично они совпадают друг с другом, частично - различаются. Один и тот же объект - сопровождаемое ВС - представляется отдельно плановой подсистемой, отдельно - подсистемой обработки радиолокационной информации, отдельно - подсистемой обработки данных автоматического зависимого наблюдения. При этом описания ВС корректируются диспетчерским персоналом. Каждый акт приема-передачи управления, смены позывного ВС, уточнения параметров движения, последовательно выполняемые различными диспетчерами, фиксируются в каждой копии, как в компьютерах рабочих мест, так и в БД сервера системы. Моменты фиксации разнесены во времени и подчинены установленной в локальной сети дисциплине обмена и доступа. Каждая подсистема в соответствии со своими задачами использует различные схемы расчета траектории полета. В результате разные копии одного объекта начинают существенно отличаться, что приводит к потере целостности, к выдаче на экран недостоверных данных, к ошибкам в расчетах. Неоднозначность копий становится причиной выдачи на экран противоречивой информации и других последствий, совпадающих по характеру проявлений с результатами недостаточной отладки программного обеспечения (ПО). Нейтрализация рассогласований осуществляется, как правило, перезапуском системы. Все копии формируются заново и становятся непротиворечивыми. Однако при этом теряется часть информации, которая вследствие недостаточной синхронизации привела к нарушению целостности [1, 2].

1. Постановка задачи

В процессе управления данными в любой БД актуальным является вопрос оптимальной организации данных, что подразумевает наличие процедур сортировки и поиска, которые могут работать с минимальными временными затратами.

Собственно сортировка и поиск представляют интерес лишь в сравнительно узком классе практических задач, таких как статистическая обработка результатов эксперимента. В большинстве приложений сортируются и подвергаются поиску не сами по себе абстрактные числа, а количественные признаки, характеризующие сопровождаемые БД объекты, т.е. атрибуты, принадлежащие сегментам информационных записей. Совокупность атрибутов объединяется в описание (формуляр) объекта, и если интерпретировать полученное описание как вектор, то сортировка записей-векторов в информационном пространстве базы данных производится по координатам-атрибутам этих векторов.

Записи БД должны быть выстроены (отображены) в последовательности монотонного изменения величин атрибутов. Атрибутами сортировки и поиска могут в общем случае оказаться все информационные поля записей. В этой связи сортировку обычно сводят к формированию списковых структур, указывающих правила построения упорядоченных последовательностей записей, а не строят такие последовательности перестановкой последних. Традиционным примером подобного списка являются цепи

номеров (указателей адресов) записей. При этом записи размещены в базе данных произвольным образом, например, в порядке поступления, в то время как указатели сцеплены в список в соответствии с монотонным изменением величин атрибутов, принадлежащих этим записям.

Выборка информации, образование, корректировка и удаление записей производятся с обращением к цепям их номеров как к упорядоченному по атрибутам (координатам) отображению исходной последовательности записей (векторов), хранящейся пользователем в БД. Следуя по j-й цепи указателей номеров записей (J = 1, J; J - количество атрибутов, по которым выполняются сортировка и поиск), можно обращаться к записям в порядке монотонного изменения j-го атрибута. Построение сцепленных или более сложных мультисписковых структур устанавливает обратную связь между элементами входной (записи) и результирующей (списки указателей адресов) последовательностей.

Оптимальная организация данных, позволяющая использовать для управления ими обратную связь, реализуемую через величины атрибутов записей, формируется на этапе проектирования. Однако задача оптимального управления включает в себя и динамическую компоненту, осуществляющую адаптивную настройку структуры информационного обеспечения с целью повышения его эффективности непосредственно в процессе работы. Для ее решения статическая составляющая методов управления должна предоставлять возможность оперативного регулирования отображения на мультисписок поиска информационного пространства БД. Тогда общую постановку задачи можно формализовать как сокращение затрат времени системы на процесс сопровождения данных, т.е. как минимизацию аддитивного функционала £, £ = { f(W), f(V), f(x) } (где f(W) - ограничения на ресурсы быстродействия, f(V) - ограничения на ресурсы памяти), учитывающего в нормированном виде показатели быстродействия методов доступа, необходимых для реализации ресурсов системы и затрат т времени на организацию динамического управления данными.

Модель процесса анализируется в векторном информационном пространстве БД. Каждая запись интерпретируется как вектор X, координаты которого %i, Х2, •••, Xi, •••, X представляют собой численные значения длины пути доступа к записи по каждому из входящих в нее атрибутов. Таких векторов, отображающих достижимость данных через мультисписок поиска, насчитывается N по числу записей, хранящихся в системе. Информационное пространство в совокупности с отображающим его мультисписком адресов записей образует область управления данными, причем значения координат-атрибутов регулируют посредством обратной связи, реализуемой через структуру списков, элементы отображения с целью минимизации оценочной функции 9.

Эффективность управления данными характеризуется в каждый момент t длительностью доступа (длиной или временем прохождения пути поиска) к запрошенным записям. Количество J путей доступа к любой записи, равное количеству атрибутов, определяет размерность вектора XNJ(t) состояния системы: XNJ(t) = { %m(t), •, %Nj(t) •, XNj(t)} Установив предельно допустимую длину L0 для любого пути доступа или задав последовательность {L0j} для каждого пути, можно в качестве оценки состояния системы принять:

CNj (t) < 1 max —j— < 1.

L0 j

Если в некоторый дискретный момент ti значение хотя бы одной координаты XNj(ti) превысит соответствующий ей порог L0j, то процесс управления данными требует оперативного вмешательства, восстанавливающего нарушенную меру состояния.

Вводятся допущения на распределение потоков поступления и удаления записей в системе, ее структуру, характеристики регулирующих воздействий, интерпретацию дискретных измерений параметров квазинепрерывным процессом и т.д.

Полученные результаты позволяют выбирать на этапе проектирования оптимальные по критерию затрат времени значения At периода измерений длины путей доступа к записям и критические значения Lcj, этой длины, при которых независимо от количества произведенных регулирований мультисписка достигается минимум оценочной функции,

q V Го?о

в = (А г ,{4;}) = ljm------------------------^-,

учитывающей затраты времени Т0 на д0(0 оперативных вмешательств (регулирований) при превы-

шении длиной пути доступа допустимого предела, Тр на др(0 профилактических вмешательств при превышении критического значения этой длины, Тт на дт(0 измерений длины пути доступа и характеристик достоверности сопровождаемых системой данных. Предпримем попытку развития инженерных подходов к задачам минимизации времени за счет использования наиболее общих свойств числовой информации. Покажем, что применение методов поиска при сортировке в сочетании с ориентацией на упорядоченную в ее процессе структуру индекса позволяет при последующем поиске достигать эту цель.

2. Схема метода непосредственной расстановки

Метод является предельной интерпретацией поразрядной сортировки, использующей машинную ориентацию процесса упорядочения. Поиск места, на которое необходимо поставить очередное сортируемое число, осуществляется с помощью прямой адресации. Адресацией чисел управляют их собственные величины, интерпретируемые как номера дискретов числовой оси. На принципе прямой адресации к месту числа в упорядоченной последовательности (т.е. на одном из методов поиска) основан, как отмечено выше, и алгоритм непосредственной расстановки. Формируемый в процессе сортировки входной индекс поиска является машинным отображением числовой оси, представленной набором L «-разрядных дискретов, содержащих в начальный момент нулевые значения; ]т[=1о§2^, где символ ][ обозначает ближайшее большее целое логарифма N - количества сортируемых чисел. Величина каждого числа интерпретируется как значение (указатель) его адреса на числовой оси. При вводе очередного числа, равного по величине (0<1<Х), в 1-й т-разрядный дискрет оси прибавляется единица. С окончанием ввода завершается и собственно сортировка. В произвольно выбранном 1-м дискрете оси сохранится нуль, если число, равное I, ни разу не встречалось в исходной последовательности. Если числа, равные I, повторились в процессе ввода г раз (0 < г < К), то в 1-м дискрете будет накоплена сумма г.

Результирующую упорядоченную последовательность можно немедленно вслед за вводом исходной выдавать на внешние устройства. Для формирования невозрастающей последовательности числовая ось просматривается справа налево, для неубывающей - слева направо. Нулевые дискреты игнорируются. Величины адресов дискретов, содержащих значащие г, выводятся г раз каждая. Время сортировки определяется только быстродействием ввода-вывода, так как никаких других операций алгоритм не исполняет.

Пример. В качестве исходной последовательности возьмем несколько первых цифр числа п: 3.1415926536. Количество L дискретов числовой оси определяется одноразрядным десятичным представлением цифр последовательности L = 10. Процесс сортировки непосредственной расстановкой иллюстрируют рисунок и таблица. Величина числа указывает номер дискрета оси, в котором накапливается по мере ввода количество встреченных чисел такой величины. В рассматриваемом примере ни разу не встречаются 0,7,8 (подмножество 0), по одному разу вводятся цифры 2,4,9 (подмножество I), по два раза - 1,3,5,6 (подмножество II). По окончании ввода на числовой оси фиксируется информация, сведенная в таблицу. Результирующая неубывающая последовательность записывается при движении вдоль числовой оси слева направо: 11233455669. Невозрастающая последовательность формируется движением справа налево.

Высокое быстродействие алгоритма достигается за счет потери общности относительно породившего его метода поразрядной сортировки. Во-первых, исключена процедура предварительной оценки объемов памяти, необходимой для очередного шага сортировки, так как запрашивается максимальный объем (в общем случае соотношение L и N может быть любым, допускается Ь>>К). Во-вторых, и это главное, сортируемые числа фактически представлены в системе счисления с основанием L, т.е. могут записываться одним разрядом, и следовательно, сортировка исполняется в один шаг.

П

1 23 4 56 7 8 9

Рисунок. Процесс сортировки непосредственной расстановкой

ь

Таблица

числовая ось 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

содержимое дискретов оси 0 2 1 2 1 2 2 0 0 1

результирующая последовательность - 11 2 33 4 55 66 - - 9

неубывающая ----------------------^--------------------------------------- невозрастающая

ЛИТЕРАТУРА

1. Воздушный кодекс Российской Федерации. - М.: Воздушный транспорт, 1997.

2. Конькова Е.Ю., Рудельсон Л.Е., Черников П.Е. Оперативное регулирование потоков в автоматизированной системе управления воздушным движением. // Известия Российской Академии наук, Теория и системы управления, 2006, № 4.

DATA MANAGEMENT BY DIRECT PLACEMENT METHOD

Chernikov P.Ye.

In the process of tracing aircrafts, data processing software that uses inputs from radars, satellite navigation, flight plan data and controller’s entries, calculates the parameters of the target's movement based on various mathematical models. The mismatches between the actual and calculated flight data increase, leading to mistakes of data representation at the controller’s workstations. This article puts forward a solution to stabilize the big picture by proposing a new data representation method.

Сведения об авторе

Черников Павел Евгеньевич, 1982 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), аспирант кафедры ВМКСС, автор 10 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.