Научные основы методики поэтапного формирования телекоммуникационной системы регионального уровня в условиях ресурсных ограничений

Важным направлением информатизации является создание современной информационной и телекоммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей решение большинства задач интеграции и развития информационных ресурсов. Достижения, сделанные в этом направлении, связаны в основном с развитием сети магистральных каналов связи общего назначения (Ростелеком), построением магистральных ведомственных каналов связи крупными российскими компаний (Газпром, РЖД-Транстелеком).

Другим направлением является создание ведомственных сетей на уровне отдельных организаций, например, Министерство внутренних дел России, Министерство образования и науки России, и т. д. На сегодняшний день большинство задач, связанных с доставкой трафика в крупные города Российской Федерации, решены. Теоретические проблемы анализа состояния сетей, статистического мониторинга, распределения информационных потоков достаточно подробно рассмотрены в работах российских и зарубежных ученых.

Не достаточно исследованной, в настоящий момент, задачей представляется создание распределенных систем, обеспечивающих доступ конечных пользователей к локальным информационным ресурсам и ресурсам магистральных сетей. Наиболее ярко эти проблемы проявляются при решении задач региональной информатизации. Среди наиболее значимых проблем, определяющих слабое развитие региональной телекоммуникационной инфраструктуры, можно выделить: ограниченные ресурсы каналообразующего оборудования, устаревшие аппаратно-программные средства, отсутствие проверенных типовых решений, неоптимальные организационные решения, несогласованность в работе региональных провайдеров. Перечисленное дополняется географическими особенностями регионов, ограничивающими использование наиболее распространенных и доступных средств связи, недостаточной подготовкой кадров для создания и обслуживания телекоммуникационных систем, слабой подготовкой населения к восприятию современных информационных технологий.

Таким образом, очевидно, что на сегодняшний день центр тяжести всего комплекса задач информатизации сместился на региональный уровень в направлении создания и развития телекоммуникационной инфраструктуры.

Решение задач формирования и развития телекоммуникационной инфраструктуры требует учета большого количества факторов связанных с показателями технического развития региона, ростом потребностей предприятий и населения, ресурсными возможностями. Требование учета временной динамики ресурсных ограничений совместно с динамикой специфики решаемых задач и потребностей в информационных ресурсах приводит к объективной необходимости сформулировать научно-обоснованный подход, позволяющий оптимизировать процессы создания сетевых информационных систем на региональном уровне.

В связи с этим представляется актуальным создание комплекса математических моделей, адекватно описывающих временные характеристики развивающихся распределенных телекоммуникационных систем с возможностью оптимизации в любой момент времени по заданному набору параметров. Характер временной зависимости параметров, определяющих состояние объекта информатизации, в данном случае региона, позволяет выделить периоды (этапы) в пределах которых данные параметры можно считать постоянными. Это, в свою очередь, позволяет сформулировать новый подход формализующий процесс поэтапного формирования телекоммуникационных систем, в котором, результат на каждом этапе зависит от результатов предыдущего и действующих на данном этапе ресурсных ограничений.

Исследования, проведенные в ходе выполнения диссертационной работы, были направлены на создание и теоретическое обоснование типовых решений задач поэтапного формирования региональной телекоммуникационной инфраструктуры в условиях ресурсных ограничений.

Практическое значение имеет предложенный подход, описывающий формирование опорной (базовой) сети, как основы телекоммуникационной инфраструктуры, для дальнейшего подключения конечных пользователей, осуществления межрегиональных связей, доступа к информационным и телекоммуникационным ресурсам федерального уровня.

Целью диссертационной работы является создание концептуальных и научных основ методики поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры региона, включающих теоретические результаты для ее обоснования и практической реализации, разработку необходимых математических моделей, получение достаточных условий сходимости процесса поэтапного формирования базовой сети, постановка задач решаемых на этапах.

Для достижения поставленной цели были проведены исследования по следующим направлениям:

• существующие проблемы построения телекоммуникационной инфраструктуры на региональном уровне и формирования базовой сети, как основной составляющей РИС;

• методы, специфические особенности и основные задачи формирования базовой телекоммуникационной сети регионального уровня в условиях ресурсных ограничений;

• процесс поэтапного формирования структуры региональной базовой сети и возникающие при этом задачи управления процессом на этапах;

• условия сходимости процесса за конечное число этапов и качество получаемого при этом решения;

• показатели качества базовой сети и математические модели для расчета их численных значений;

• информационное наполнение телекоммуникационной инфраструктуры и его реализация по основным направлениям для Хабаровского края.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные при проведении исследований:

• теоретическое обоснование концепции поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры региона, как типовое решение при наличии ресурсных ограничений, не позволяющих практически создавать инфраструктуру по всем направлениям одновременно;

• математическое описание процесса поэтапного формирования структуры базовой сети региона, позволившее определить достаточные условия сходимости процесса за конечное число этапов при наличии ресурсных ограничений;

• задачи формирования структуры базовой сети на этапах, учитывающие цели этапа, имеющиеся ресурсы, результаты, полученные на предыдущих этапах, политику администрации региона;

• комплекс математических моделей для расчета и оптимизации характеристик структуры региональной базовой сети, при ее поэтапном формировании учитывающих наличие ресурсных ограничений и изменения условий на этапах;

• комплекс информационных ресурсов, созданных для загрузки телекоммуникационной инфраструктуры в области оказания образовательных услуг.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования в диссертационной работе является процесс поэтапного формирования структуры базовой сети региона и задачи, возникающие при реализации процесса.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы, описывающие процесс поэтапного формирования базовой сети и позволяющие решать задачи на всех этапах. Модели дают возможность определить условия сходимости процесса и обеспечить получение оптимальных решений задач на каждом этапе, с учетом имеющихся ресурсных ограничений и специфических особенностей региона.

Методы исследования определялись спецификой решаемых задач и поставленными целями. В работе использовались методы теории графов, теории систем, проектирования сетей связи, оптимизации, теории множеств и системного анализа.

Научная новизна результатов диссертации определяется оригинальностью объекта исследования и условий его функционированияпроцесс поэтапного формирования сложной технической системы в условиях ресурсных ограничений.

Новизна полученных результатов заключается в:

— выявлении общих закономерностей процессов поэтапного формирования региональной информационной и телекоммуникационной инфраструктуры как сложной системы и процессов формирования опорных (базовых) сетей, как основы для решения задач региональной информатизации, установлении ряда специфических свойств, определивших необходимость получения условий сходимости процесса и возможности получения требуемого результата за конечное число шагов (этапов);

— разработке концептуального подхода к формализации временной динамики процессов формирования сетевых структур в приложении к развитию региональных инфокоммуникационных систем;

— получении достаточных условия сходимости процессов поэтапного формирования региональной информационной и телекоммуникационной инфраструктуры при различных начальных условиях для этапов;

— определении состава показателей качества (характеристик) структуры базовой сети, согласованных с региональными планами развития телекоммуникационной инфраструктуры и текущим состоянием региональной инфраструктуры;

— разработке комплекса математических моделей развития базовой сети, учитывающих необходимость выбора и возможность замены провайдеров, динамику начальных условий формирования сети и изменение целей, расчета численных значений характеристик сети, получаемых на этапах;

— создании комплекса теоретического и программного обеспечения для формирования контентной составляющей в области ведения образовательной деятельности и научных исследований;

Полученные результаты обобщают известные данные в этой области и составляют научные основы типовой методики поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры регионального уровня.

Практическая значимость результатов диссертации определяется: возможностью их адаптации к конкретным региональным условиям, с учетом имеющихся программ информатизации, разнообразия провайдеров различного уровня, категорий пользователей и частных задач для каждого района и населенного пунктавозможностью получения решения с заданными характеристиками в минимально возможные сроки, а также возможностью регулирования объемов финансирования на этапах, зависимости от получаемых результатов и поставленных целей.

В целом, совокупность полученных результатов можно рассматривать как типовую методику формирования структуры региональных базовых сетей в условиях ресурсных ограничений.

Достоверность и обоснованность результатов обусловлены: согласованностью принятых ограничений и допущений с реальными данными по регионамстрогим математическим обоснованием построенных моделей и алгоритмовсогласованностью с имеющимися в печати данными о результатах и методах построения региональных телекоммуникационных системнаконец, полученными результатами при применении разработанных методов, моделей при формировании и информационном обеспечении базовой сети телекоммуникационной системы Хабаровского края. Основания для выполнения работы.

Работа является результатом систематизации и обобщения исследований, проведенных автором в период с 1990 года по настоящее время. При этом основные результаты получены в ходе проведения работ по Федеральным целевым программам «Электронная Россия» (2002;2005 гг.), «Интеграция науки и высшего образования» (2002;2004 гг.), «Развитие единой образовательной информационной среды» (2002 — 2005 гг.), Федеральной программы развития образования (2000;2005 гг.), Программы «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (подпрограмма 307 «Развитие региональной инфраструктуры научно-инновационной деятельности высшей школы в образовательной и научно-технической сферах»), НТП «Высшая школа, как важнейший государственный ресурс развития научно-технического потенциала регионов», Краевой программы.

Информатизация образования Хабаровского края", а также при выполнении ряда проектов федерального и краевого уровня и хоздоговорных работ.

Реализация результатов. Результаты работы использовались при выполнении следующих договоров и контрактов.

В рамках Федеральных программ: проект «Развитие единой информационной среды учреждений образования и науки Хабаровского края» проект «Создание научно-аналитического центра мониторинга образовательных ресурсов Дальневосточного Федерального округа» (per. № 1765), Проект № 307.3.047: «Создание регионального портала единой информационной системы поддержки инновационной деятельности высшей школы», проект «Создание Федерального ресурсного центра методического, кадрового и материально-технического обеспечения развития единой образовательной информационной среды в Дальневосточном федеральном округе» (Государственный контракт № 2353 от 15.11.02), «Поставка оборудования, выполнение работ и оказание услуг по подключению школ (учреждений основного общего образования) Хабаровского края к сети Интернет» (Государственный контракт № 273 от 9.03.04 и дополнению от 28.10.2004 г. № 605).

Результаты использовались при формировании региональной составляющей некоммерческих сетей RUNnet и Rbnet (Договор 28−99/РОС от 02.08.99, акт сдачи-приемки НТП, акт о введении в экспериментальную эксплуатацию узла доступа магистральной сети RBNet).

По проектам, поддержанным Национальным фондом подготовки кадров: «Подключение системы межшкольных методических центров и апробационных площадок Хабаровского края к краевой образовательной информационной сети и Интернет» (Договор № ELSP/C2/Gr/002/02−05 от 14.09.05 г. и дополнительное соглашение № 1 от 15.12.05, «Предоставление услуг доступа к сети Интернет центрам системы РКЦ-ММЦ в Хабаровском крае» (Договор № ELSP/C2/Gr/002/02−06).

При выполнении региональных программ и проектов: — с Министерством образования Хабаровского края: «Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11−10 271/75 от 05.02.05 г.), «Организация работы в 2006 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11−10−20/121 от 11.01.06 г.), «Выполнение в 2007 году работ для государственных нужд по управлению ресурсами и сервисами (администрированию) Хабаровской краевой образовательной информационной сети» (Государственный контракт № 11−10−4968/164/002 от 28.12.06 г.), «Выполнение в 2008 году работ для государственных нужд по управлению ресурсами и сервисами (администрированию) Хабаровской краевой образовательной информационной сети» (Государственный контракт № 30 071 075 О от 28.12.07 г.), «Создание и сопровождение сайта Хабаровской краевой информационно-образовательной сети» (в рамках проекта Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России" (Договор № 11−10 271/75 от 05.02.05 г.)), «Разработка и сопровождение образовательного портала „Пайдейя“ (в рамках проекта Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11−10−271/75 от 05.02.05 г.), «Создание и сопровождение сайта Министерства образования Хабаровского края».

Договор № 11−10−1214/145 от 27.03.2006 г.), Эксплуатация и сопровождение в 2007 году программного комплекса управления и баз данных существующего web-сайта Министерства образования Хабаровского края" (Государственный контракт № 11−10−4967/163/001 от 28.12.06.

— с Министерством экономического развития и внешних связей Хабаровского края: «Расширение модемного пула узла связи ХКЦ НИТ для предоставления бесплатного доступа в Интернет школам г. Хабаровска» (Договор 15−60 от 28.12.01) /'Развитие информационного сайта «Наука-Инновации-Образование в Хабаровском крае». Договоры: № 15−114 от 28.01.03, № 15−157 от 08.01.04, № 15−231 от 22.02.05,№ 15−256 от 22.12.05. «Научно-методическое и техническое обеспечение информатизации образования Хабаровского края». Договоры: № 15−143 от 24.07.03-№ 15−183 от 01.03.2004, «Информационное обеспечение разработчиков и производителей инновационной и научно-технической продукцией» (Договор № 15−230 от 22.02.2005 г.).

Результаты работы внедрены в Тихоокеанском государственном университете, в Хабаровской государственной академии экономики и права, Министерстве образования Хабаровского края, в районных и муниципальных органах управления образованием, Министерстве экономического развития и внешних связей Хабаровского края.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических и научно-практических конференциях:

— Межрегиональной научно-практической конференции «Роль средств массовой информации и информационно-коммуникационных технологий в региональном развитии», Хабаровск 2003 г.

И, III, IV, V, VI краевой научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании: опыт, проблемы, перспективы».

Хабаровск, 2004 — 2008 гг.

— Второй международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития библиотечно-информационных технологий вузовских библиотек», Хабаровск, 2005 г.

Дальневосточном международном экономическом форуме «Информационно-коммуникационные технологии на востоке России: состояние и перспективы». Хабаровск, 2006 г.

— Дальневосточной математической школы-семинара им. академика Е. В. Золотова. Владивосток, 2003 г.

— Дальневосточном инновационном форуме с международным участием. Секция «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов». Хабаровск, 2003 г.

— Международной научно-технической конференции ВИТ-2003. Усть-Каменогорск, Казахстан, 2003 г.

— XIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук России. 2004 г.

— I Международном Дальневосточном экономическом конгрессе. Хабаровск, 2005 г.

— Пятой региональной научной конференции, «Физика: Фундаментальные и Прикладные Исследования, Образование». Хабаровск, 2005 г.

— Седьмой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование». Владивосток, 2007 г.

— Конференции «Электронная Россия на Дальнем востоке». Владивосток, 2007 г.

— XV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика 2008».. Санкт-Петербург, 2008 г.

— Межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» Хабаровск, 2008 г.

— Всероссийской конференции «Современные информационные технологиии для научных исследований», Магадан, 2008 г.

— V международной конференции «Интеграция информационных систем в образовании» (ИТО-Псков-2008). Псков, 2008 г.

Результаты работы обсуждались на семинарах в Научно исследовательском институте ядерной физики МГУ, в научно-исследовательском институте Проблем морских технологий ДВО РАН. Были представлены в части прикладных аспектов на Телекоммуникационной комиссии ДВО РАН, Совете ректоров Хабаровского края и Еврейской автономной области, Коллегии Министерства образования Хабаровского края, Ученом совете Тихоокеанского государственного университета.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, в том числе 1 монография, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, в трудах научно-технических конференций, а также в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам, выполненным по теме диссертации при непосредственном участии и под руководством автора.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из шести глав, двух приложений и списка литературы. Объем диссертации 339 страниц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Анализ состояния процесса информатизации Российской Федерации показал, что его развитие тормозится во многом из-за отсутствия современной телекоммуникационной инфраструктуры, создание и совершенствование которой становится одной из приоритетных задач при выполнении федеральных и региональных программ информатизации. Оказывается, что при достаточно развитых телекоммуникационных системах федерального уровня многие региональные телекоммуникационные системы не обеспечивают должного набора и качества телематических услуг и доступа всех слоев населения к Интернет. Это обусловлено целым рядом факторов, среди которых можно отметить отсутствие типовых решений, учитывающих специфику регионов, свойственное большинству регионов ограниченное ресурсное обеспечение работ по созданию и развитию региональных телекоммуникационных инфраструктур. В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований, связанных с анализом процесса формирования и развития телекоммуникационной инфраструктуры регионального уровня и разработкой типовых решения для управления этим процессом, учитывающих наиболее значимые особенности региональной политики информатизации.

2. Основой телекоммуникационной инфраструктуры региона является базовая сеть, которая объединяет федеральные, региональные телекоммуникационные системы и обеспечивает подключение к ним пользователей. Формирование структуры базовой сети, как правило, сводится к решению задачи построения остовного (покрывающего) дерева для заданного графа, определяющего населенные пункты, пользователей и каналы связи сети региона. Однако в реальных сетях, имеется целый ряд ограничений и дополнительных условий, которые не позволяют применять известные (классические) алгоритмы построения покрывающих деревьев (минимальных покрывающих деревьев) для решения задачи построения базовой сети. Поэтому требуется разработка новых подходов к решению задачи.

3. Одним из основных ограничений, которое свойственно большинству регионов, при создании базовой сети, является ограничение выделяемых ресурсов, что не позволяет сразу построить всю сеть. Поэтому сеть обычно строится поэтапно, в зависимости от объемов ресурсов, выделяемых на этапах, что приводит к возникновению ряда новых задач, решение которых должно приводить к построению базовой сети. Поэтапное построение сети может привести к результатам, сильно отличающимся от тех, которые получаются при выделении требуемых ресурсов сразу, и эти результаты могут быть не оптимальными для заданных критериев. Кроме того, возможны случаи, когда поэтапное построение может вообще не привести к созданию полной сети, если начальные условия, цели и размеры выделяемых ресурсов достаточно часто и сильно меняются. Поскольку поэтапное формирование сети широко распространено в регионах, требуется детальное исследование этого процесса для получения практически полезных результатов, обеспечивающих получение решений, соответствующих выдвигаемым требованиям в рамках заданных критериев.

4. Проведено системное исследование процесса поэтапного создания сложной технической системы в условиях ресурсных ограничений. Получены достаточные условия сходимости процесса к требуемому результату за конечное число этапов. Исследованы различные варианты формирования начальных условий на этапах, связанные с возможностью накопления остатков ресурсов от предыдущих этапов, изменением базовых параметров. Разработан общий подход, основанный на связывании общих системных понятий с параметрами реальной системы, позволяющий применять полученные общие результаты для анализа процесса поэтапного формирования базовой сети. Полученные общие теоретические результаты можно применять для анализа процессов поэтапного развития сложных технических систем, в условиях ресурсных ограничений.

5. Определены и сформулированы цели и задачи формирования базовой сети, позволяющие учитывать специфику конкретного региона. Определена общая задача построения базовой сети. Определены два возможных подхода к решению общей задачипрямое решение и поэтапное решение. Показаны их достоинства и недостатки. Сформулирована общая постановка прямой задачи формирования базовой сети, когда имеется неограниченный объем ресурсов, позволяющий единовременно и полностью сформировать оптимальную базовую сеть, с учетом имеющихся ограничений. Выведены необходимые условия для существования прямого решения общей задачи. Сформулирована общая постановка задачи поэтапного формирования базовой сети в условиях ресурсных ограничений. Выведены необходимые и достаточные условия существования решения задачи, как частные случаи для общих результатов анализа процесса поэтапного создания системы. Исследован процесс поэтапного решения общей задачи. Показано, что на каждом этапе, из-за изменения целей и объемов выделяемых ресурсов, целесообразно решать частные задачи, характерные для этого этапа. Определены параметры базовой сети, используемые при решении частных задач. Сформулированы возможные варианты постановки частных задач, зависящие от поставленных на этапе целей и свойственных этапу ограничений. Задачи сформулированы как задачи математического программирования. Приведены примеры поэтапного решения общей задачи формирования базовой сети, при различных вариантах частных задач на этапах.

6. Разработан комплекс математических моделей, позволяющих проводить расчеты и вычислять численные значения параметров и характеристик базовой сети, необходимых для решения частных задач на этапах. В состав комплекса входят: модели для вычисления параметров потоков данных, поступающих на узлы сетимодели для расчета нагрузки на каналы связи сети, учитывающие транзитные потоки данных, проходящие по каналам связимодели для расчета нагрузки на узлы сети для заданной структуры базовой сети, учитывающие транзитные потоки данных, проходящие через узлымодели для расчета затрат на создание и эксплуатацию базовой сети, с заданной структурой, учитывающие разнообразие провайдеров и их тарифную политику. Применение моделей позволяет оценивать и оптимизировать варианты структуры базовой сети, получаемые на каждом этапе поэтапного решения общей задачи.

7. Разработан метод решения частных задач на этапах, основанный на направленном переборе возможных вариантов покрывающего дерева. Обоснована возможность применения этого метода в реальных условиях при ограниченности числа вариантов структуры сети, обусловленной ресурсными и другими ограничениями. Данный подход позволяет использовать известные алгоритмы построения покрывающих деревьев, для получения предварительных решений для последующего отбора наиболее приемлемых по заданным критериям. Исследован процесс формирования множества узлов базовой сети, учитывающий возможности создания и ликвидации узлов, слияние и разделение узлов, что часто встречается на практике при использовании пиринга, и может быть вызвано, например, сменой провайдеров, миграцией населения из населенных пунктов. Анализ процесса позволяет определять и прогнозировать изменение условий решения частных задач на этапах формирования структуры базовой сети. Разработанные модели и алгоритмы могут применяться разработчиками и администраторами сетей как типовые при анализе нагрузки на каналы связи и узлы базовой сети для выбора типов каналов связи, параметров сетевого оборудования.

8. Применение разработанных моделей для построения базовой образовательной сети Хабаровского края показало их достаточную универсальность, поскольку они адаптировались к конкретным условиям данного региона и этапа. Разработаны методы адаптации, основанные на предварительном анализа процесса формирования ресурсов для каждого этапа, согласовании целей этапов с региональной политикой в области информатизации, формировании состава провайдеров телекоммуникационных услуг.

9. Результаты разработки информационного наполнения научнообразовательной сети Хабаровского края, прикладным программным обеспечением, разработанным на основе математических моделей программного обеспечения, созданных непосредственно автором, либо при его участии и под его руководством, показывают многообразие возможных применений созданной сети, и также могут использоваться в других регионах.

Полученные в диссертации теоретические результаты и разработанные варианты их практического применения при решении задач формирования структуры базовой сети Хабаровского края, могут рассматриваться в совокупности как научное обоснование типовой методики поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры регионального уровня.