Автоматизация процесса выявления и устранения неисправностей торгового оборудования

ЦТО - Центр технического обслуживания.

СМО - Система массового обслуживания.

POS - Point of sale (рабочее место кассира).

ИНН - Идентификационный номер налогоплательщика.

ККМ - Контрольно-кассовая машина.

КПК - Криптографический проверочный код.

ЛУ - Логическое устройство.

ОС - Операционная система.

ПЭВМ - Персональная электронная вычислительная машина.

ПК - Персональный компьютер.

ПП - Программный продукт.

ПО - Программное обеспечение.

ФП - Фискальная память.

ФР - Фискальный регистратор.

ЭКЛЗ - Электронная контрольная лента защищённая.

Введение

В настоящее время в связи с расширением торговой сети, является актуальным вопрос автоматизации процесса выявления и устранения неисправностей торгового оборудования. Четкой структуры разделения оборудования на категории пока не существует, но общепринято разделять его на две группы: выставочное оборудование и оборудование для автоматизации торговли. Оборудование для автоматизации торговли включает в себя кассовые аппараты, весовое оборудование, оборудование для штрихкодирования и т. п.

Для ремонта и контроля работы специализированного торгового оборудования существуют сервисные центры называемые ЦТО.

Основная задача, которая возлагается на ЦТО:

выполнять технический контроль над работающими кассовыми аппаратами;

нести ответственность за правильное функционирование кассовой техники.

Оперативность - важное качество современных сервисных центров. Поломка или окончание срока эксплуатации оборудования означает остановку торговли, следовательно, денежные потери со стороны клиента. В таких ситуациях ЦТО необходимо как можно быстрее устранить неисправность. Для устранения неисправностей используются диагностические системы, которые позволяют проводить диагностику оборудования непосредственно в магазине у клиента. Недостатком таких систем является необходимость выезда специалиста к клиенту. Для экономии времени, возможно использование систем для удаленной диагностики. С текущими тенденциями развития сети интернет, подобная система позволит и повысить эффективность работы сервисного центра при минимальных затратах. Такая система позволит пользователям оборудования:

подавать заявку на неисправность

получать оперативную поддержку со стороны сервисных центров

Специалисты, в свою очередь, получат возможность:

получать оповещения о неисправности оборудования с подробной информацией о коде ошибки и общем программном состоянии оборудования

проводить удаленную диагностику оборудования

проводить удаленную настройку оборудования

Разрабатываемое программное обеспечение предназначено для повышения эффективности процесса выявления и устранения неисправностей торгового оборудования.

В исследовательском разделе приводятся материалы по исследованию предметной области и самого предмета проектирования, анализ вариантов решения поставленной задачи и выбор конкретного варианта по итогам технико-экономического обоснования.

В специальном разделе разработана математическая модель исследуемой системы, по которой можно доказать эффективность выбранного метода решения поставленной задачи.

В технологическом разделе приведена реализация метода решения задачи.

В разделе по безопасности жизнедеятельности проведен анализ длительных статических нагрузок на пользователя при работе на ПЭВМ. Рассмотрены требования по организации рабочего места при работе на ПЭВМ. Проведена экологическая оценка исходных материалов для изготовления компьютерной техники.

В организационно-экономическом разделе спланирована разработка программного продукта с построением графика. Рассчитана смета затрат на разработку программного продукта. Проведен расчет технико-экономических показателей и эффективности проекта.

1. Исследовательский раздел

1.1 Характеристика предметной области дипломного проекта

Оборудование для автоматизации торговли включает в себя:

контрольно-кассовые машины

весовое оборудование

оборудование для штрих-кодирования и т.д.

Контрольно-кассовая машина (ККМ) - предназначена для регистрации приобретения товара и печати кассового чека[1].

ККМ в России это инструмент контроля со стороны государства за налично-денежным оборотом, полнотой и своевременностью оприходования предприятиями наличной выручки. В остальном мире используется владельцами для упрощения учёта товаров и контроля продавцов. Современный кассовый аппарат имеет в своем составе дисплей, клавиатуру и печатающее устройство, которое печатает на специальной бумажной ленте.

Кассовый аппарат используется при расчётах за проданные товары и выполненные услуги. Основная задача кассового аппарата - фиксировать на бумаге (кассовом чеке) сделку купли-продажи. Кассовые аппараты бывают фискальные (применяются в странах, где действует фискальное законодательство) и нефискальные. Фискальные кассовые аппараты отличаются от нефискальных наличием фискальной памяти - носителя информации, данные из которого нельзя удалить, а также другими особенностями конструкции, описанными местным фискальным законодательством. В фискальной памяти накапливаются данные об операциях, совершенных при помощи данного кассового аппарата.

Эра автоматизации и учета розничных операций берет свое начало с 19 века, когда 13 июля 1875 года Дэвид Браун получил патент на «аппарат для транспортировки товаров, наличных денег и прочих мелких грузов». Эта простая система надолго прижилась в магазинах Старого и Нового света, превратившись в такой же ностальгический символ эпохи, каким для советских людей стал, например, автомат с газировкой.

Развитие мегаполисов существенно изменило модель и стиль розничной торговли. В небольших лавочках европейских и американских городов хозяин магазина, как правило, являвшийся и продавцом, знал всех своих клиентов по имени, отпускал товары в кредит, который гасился в конце месяца, и вообще был приятелем и хорошим собеседником, а его предприятие являлось основным источником местных сплетен и новостей. В большом универмаге большого города такая идиллическая картина не могла существовать: клиенты требовали повышенного внимания, деньги - учёта, а продавцы - контроля. Аппарат Дэвида Брауна как раз и был создан для осуществления контроля над всеми расчетами в магазине.

Система представляла собой корзинки, подвешенные к веревочной карусели. Продавец-консультант, как его назвали бы теперь, приняв от клиента деньги за товар, отправлял их в корзинке кассиру, который возвращал назад сдачу и товарный чек. В крупном универмаге кассир сидел в центре «паутины», по нитям которой к нему стекалась наличность из разных отделов. Первый опыт внедрения системы, осуществленный в крупнейшем мебельном магазине в Массачусетсе в 1879 году, привел к существенному увеличению объемов продаж, сокращению времени на проведение торговой операции и улучшению контроля за движением средств и остатка товара на складе. Лучшей рекламы и не требовалось - система Брауна стала востребованной всеми крупными магазинами, и заказы посыпались со всех концов США, а позже и Европы.

Вильям Лэмсон, владелец того самого мебельного магазина, купил права на изобретение Дэвида Брауна и в 1882 году создал компанию Lamson Cash Railway Company. Система была столь надежна и неприхотлива, что исправно работала долгие годы: в универмаге Лоунса в Нью-Йорке она верой и правдой прослужила целых сто лет без единого дня простоя до самого закрытия магазина в октябре 1995 года. Ее техническое обслуживание и устранение поломок занимало считаные минуты и выполнялось любым сотрудником магазина с помощью отвертки и пассатижей. Разработки новых версий системы шли постоянно: в начале XX века компания представила скоростные варианты на основе пневматической трубы либо, в версии попроще, на основе катапульты из эластичного материала. Однако самый первый вариант все равно оставался наиболее востребованным.

Изобретенный в 1884 году братьями Ритти кассовый аппарат занял свое законное место в центре инфраструктуры магазина с системой Лэмсона. Он позволял кассиру не только быстрее и правильнее произвести расчет, но и обладал функцией, из-за которой налоговые органы впоследствии сделали его обязательным во всех розничных точках: он сохранял в памяти информацию обо всех платежах. Однако именно кассовый аппарат и стал причиной гибели простого и надежного изобретения Брауна - его возможностей оказалось достаточно, чтобы заменить собой громоздкую систему. В 1950 году компания Лэмсона прекратила производство, однако еще несколько десятилетий многие магазины продолжали пользоваться этим устройством, которое долгие годы было основной частью торговых предприятий по обе стороны Атлантики.

В настоящее время ККМ классифицируются только по конструкции[1]:

Автономная ККМ - это кассовая машина, расширение функциональных возможностей которой может достигаться только за счет подключения дополнительных устройств ввода-вывода, управляемых ККМ по размещенным в ней программам. К автономным ККМ относятся и портативные ККМ, имеющие возможность работы без постоянного подключения к электросети.

Пассивная системная ККМ - это кассовая машина, имеющая возможность работать в компьютерно-кассовой системе, но не имеющая возможности управлять работой этой системы. Пассивная системная ККМ может использоваться как автономная ККМ.

Активная системная ККМ - это кассовая машина, имеющая возможность работать в компьютерно-кассовой системе, управляя при этом работой системы. К активной системной ККМ относится также POS-терминал - ККМ с фискальной памятью, обладающая возможностями персонального компьютера по вводу-выводу, хранению, обработке и отображению информации. Активная системная ККМ может использоваться как пассивная системная или автономная ККМ.

Фискальный регистратор - это ККМ, способная работать только в составе компьютерно-кассовой системы, получая данные через канал связи.

В качестве диагностируемого оборудования выбран фискальный регистратор, так как способности выдачи информации о состоянии и наличии ошибок у данного типа ККМ ограничены.

Вернемся к 1993 году, когда в соответствии с Законом Российской Федерации "О применении контрольно-кассовых машин при осуществлении денежных расчетов с населением" от 18 июня 1993 года N 5215-1[2] были официально, в обязательном порядке, введены кассовые аппараты при расчетах с населением. При этом не был прописан порядок обслуживания и ремонта этих кассовых аппаратов. В связи с этим, ремонт кассовой техники мог производить любой желающий. Естественно, ни о какой сохранности информации о выручке речь не шла, т.к. скручивание счетчиков в кассовом аппарате производилась «не установленными личностями» и никто ничего не мог доказать.

Естественно, Государство не могло не обратить внимания на эту проблему. В 1995 году этот процесс решили упорядочить, и вышло «Положение о порядке продажи, технического обслуживания и ремонта контрольно-кассовых машин в Российской Федерации». Именно тогда и прозвучало словосочетание «Центр технического обслуживания контрольно-кассовых машин», сокращенно ЦТО ККМ.

Для того чтобы кассовый аппарат работал исправно, механики ЦТО прилагают большие усилия. Все работы, выполняемые специалистами, контролируются в части того, насколько оперативно и качественно они произведены. Чтобы снизить частоту отказа ККМ, каждый сервисный центр, производящий техническое обслуживание кассовых аппаратов, регулярно обновляет свою ремонтную базу.

Если обнаруживается, что внутри кассового аппарата установлено неизвестное устройство, которое искажает информацию о выручке, или если обнаруживается несоответствие между пробитыми чеками и данными фискальной памяти, или если есть подозрения на наличие факта доступа к данным, записанным в память кассового аппарата, то у контролирующих органов, кроме разговора с владельцем этого кассового аппарата, есть возможность привлечь ту фирму и того мастера, которые отвечают за техническую исправность именно этой контрольно-кассовой машины.

Таким образом, ЦТО заинтересован, в первую очередь, в том, чтобы обслуживаемые им кассовые аппараты были полностью исправны и полностью соответствовали требованиям законодательства. Отсюда и необходимость периодического осмотра кассовой техники, проверки пломб и правильности работы ККМ, ведь если окажется, что с кассовым аппаратом «что-то не так», то ЦТО может подвергнуться серьезной проверке со стороны государственных органов. Следует отметить, что пользователи ККМ становятся на обслуживание к определенному ЦТО, заключая с ними договор и, впоследствии, регистрируя ККМ в налоговой службе. Весь этот процесс долгий и трудоемкий, поэтому пользователи меняют ЦТО очень редко, в случае крайней необходимости.

Рассматриваемая система является сервисным центром по обслуживанию торгового оборудования. Клиент обращается в сервисный центр с заявкой на ремонт неисправного оборудования. Вследствие отсутствия у фискальных регистраторов внешних средств для сообщения информации об ошибке, за исключением факта наличия ошибки, сервисному центру необходимо организовывать выезд специалиста для диагностики неисправности, что, в свою очередь, увеличивает общее время ремонта. После диагностики, сервисный центр, при необходимости, должен заказать детали у поставщика и, также при необходимости, обращаться в налоговую службу (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Диаграмма вариантов использования системы

Основной проблемой таких систем является долгое время обслуживания клиентов. Как показывает статистический анализ, большая часть времени тратится на выезды специалистов для диагностики неисправностей. Для эффективной работы сервисных центров, необходимо грамотное распределение ресурсов и приоритетов. В таких случаях выгодным решением будет создание математической модели данной системы, а также, создание набора программных средствдля удаленной диагностики оборудования.

Операции, проходящие в рассматриваемой системе, являются случайными процессами, ход и исход которых зависят от ряда случайных факторов, сопровождающих эти операции.

Для того, чтобы вычислить числовые параметры, характеризующие эффективность таких операций, нужно построить некоторую вероятностную модель явления, учитывающую сопровождающие его случайные факторы.

Для математического описания многих операций, развивающихся в форме случайного процесса, может быть с успехом применен математический аппарат, разработанный в теории вероятностей для так называемых марковских случайных процессов.

Поясним понятие марковского случайного процесса. Пусть имеется некоторая физическая система S, состояние которой меняется с течением времени (под системой S может пониматься что угодно: техническое устройство, ремонтная мастерская, вычислительная машина, железнодорожный узел и т. д.). Если состояние системы S меняется во времени случайным, заранее непредсказуемым образом, мы говорим, что в системе S протекает случайный процесс.

Случайный процесс, протекающий в системе S, называется марковским процессом (или «процессом без последействия»), если он обладает следующим свойством:

Для каждого момента времени t0 вероятность любого состояния системы в будущем (при t>t0) зависит только от ее состояния в настоящем (при t=t0) и не зависит от того, когда и каким образом система пришла в это состояние (т. е. как развивался процесс в прошлом).

Другими словами, в марковском случайном процессе будущее развитие его зависит только от настоящего состояния и не зависит от «предыстории» процесса.

В рассматриваемую систему поступают заявки от клиента на ремонт и обслуживание оборудования. Данные заявки обрабатывают или обслуживают специалисты, которых можно назвать каналами обслуживания. Главной задачей такой системы, является оперативное обслуживание поступающих заявок в систему с минимальными расходами времени и средств. Такая система, в которой протекают марковские случайные процессы, является системой массового обслуживания (СМО). Для разработки модели такой системы будут использоваться элементы теории массового обслуживания.

Для создания программы необходимо исследовать рынок и работу сервисного центра. Как показал анализ, наиболее распространенными и востребованными моделями ККМ на Российском рынке являются фискальные регистраторы производства компании Штрих-М. При создании программного обеспечения, необходимо будет учесть особенности связи компьютера с ККМ.

1.2 Обзор и анализ программных решений в предметной области

Связь с фискальными регистраторами для диагностики и настройки осуществляется с помощью специализированного ПО от поставщика.

Рассмотрим некоторые из программ:

Тест драйвера ФР от НТЦ «Штрих-М» - представляет собой комплекс программных средств для диагностики, обслуживания и ремонта фискальных регистраторов производства Штрих-М (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Тест драйвера ФР

Драйвер ККМ от ООО «УК»АТОЛ» - представляет собой комплекс программных средств для диагностики, обслуживания и ремонта фискальных регистраторов. Поддерживает оборудование, как собственного производства, так и сторонних поставщиков (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Драйвер ККМ

WinExpert от ЗАО «Инкотекс» - представляет собой программу для связи с фискальными регистраторами на уровне консольных команд. Поддерживает оборудование собственного производства.

У всех выше перечисленных программ отсутствует возможность удаленной связи с ККМ. Разработка такого программного обеспечения могла бы способствовать повышению эффективности работы ЦТО.

1.3 Постановка задачи

Результаты анализа предметной области показали, что рассматриваемая система является системой массового обслуживания. Задачами дипломного проекта будут являться:

Разработка математической модели системы массового обслуживания

Разработка программного обеспечения автоматизированной системы удаленной диагностики неисправностей фискальных регистраторов

Модель СМО поможет спрогнозировать эффективность работы сервисного центра:

Спрогнозировать характеристики работы связанные с эффективностью обслуживания

Вырабатывать рекомендации

Разрабатываемое программное обеспечение должно обладать как клиентской, так и серверной частью. Клиентская часть представляет собой программу, находящуюся на компьютере пользователя и выполняющую следующие функции:

Связь с фискальным регистратором для сбора информации о состоянии аппарата.

Связь с серверной частью по локальной сети или сети интернет.

Серверная часть представляет собой программу, находящуюся на компьютере специалиста ЦТО и выполняющую следующие функции:

Связь с клиентской частью по локальной сети или сети интернет.

Возможность отображения информации по состоянию ФР, собранной клиентской частью.

Выводы

Анализ предметной области показал, что поставленные задачи являются актуальными.

Анализ программных решений показал необходимость разработки программного обеспечения.

Обоснована целесообразность разработки математической модели на основе систем массового обслуживания.

2. Специальный раздел

2.1 Формализованное описание предметной области

Теория массового обслуживания разрабатывает методы исследования и получает количественные характеристики систем, на вход которых в случайные моменты времени поступают требования (заявки)[3].

Каждая СМО состоит из какого-то числа обслуживающих единиц (или «приборов»), которые называются каналами обслуживания. СМО могут быть одноканальными и многоканальными. В нашем случае каналами будут специалисты ЦТО, соответственно СМО будет многоканальной.

Всякая СМО предназначена для обслуживания какого-то потока заявок, поступающих в какие-то случайные моменты времени. Обслуживание заявки продолжается какое-то, вообще говоря, случайное время Tоб, после чего канал освобождается и готов к приему следующей заявки. Случайный характер потока заявок и времен обслуживания приводит к тому, что в какие-то периоды времени на входе СМО скапливается излишне большое число заявок (они либо становятся в очередь, либо покидают СМО необслуженными); в другие же периоды СМО будет работать с недогрузкой или вообще простаивать.

Предмет теории массового обслуживания - построение математических моделей, связывающих заданные условия работы СМО (число каналов, их производительность, правила работы, характер потока заявок) с интересующими нас характеристиками - показателями эффективности СМО, описывающими, с той или другой точки зрения, ее способность справляться с потоком заявок. В качестве таких показателей могут применяться разные величины, например:

среднее число заявок, обслуживаемых СМО в единицу времени,

среднее число занятых каналов,

среднее число заявок в очереди,

среднее время ожидания обслуживания,

вероятность того, что число заявок в очереди превысит какое-то значение, и т.д.

Среди заданных условий работы СМО мы намеренно не выделяем элементов решения: ими могут быть, например, число каналов, их производительность, режим работы СМО и т. д. Математический анализ работы СМО очень облегчается, если процесс этой работы - марковский. Для этого достаточно, чтобы все потоки событий, переводящие систему из состояния в состояние (потоки заявок, потоки «обслуживаний»), были простейшими. Если это свойство нарушается, то математическое описание процесса становится гораздо сложнее и довести его до явных, аналитических формул удается лишь в редких случаях. Однако все же аппарат простейшей, марковской теории массового обслуживания может пригодиться для приближенного описания работы СМО даже в тех случаях, когда потоки событий - не простейшие. Во многих случаях для принятия разумного решения по организации работы СМО вовсе и не требуется точного знания всех ее характеристик - зачастую достаточно и приближенно-ориентировочного.

Системы массового обслуживания делятся на типы и классы по ряду признаков. Первое деление: СМО с отказами и СМО с очередью. В СМО с отказами, заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует. Для сервисного центра, в котором клиенты ставятся на учет через налоговые органы, отказов не существует, поэтому целесообразно рассматривать её как СМО без отказов.

СМО с очередью подразделяются на разные виды, в зависимости от того, как организована очередь - ограничена она или не ограничена. Ограничения могут касаться как длины очереди, так и времени ожидания (так называемые «СМО с нетерпеливыми заявками»). При анализе СМО должна учитываться также и «дисциплина обслуживания» - заявки могут обслуживаться либо в порядке поступления (раньше пришла, раньше обслуживается), либо в случайном порядке. Нередко встречается так называемое обслуживание с приоритетом - некоторые заявки обслуживаются вне очереди. Приоритет может быть как абсолютным - когда заявка с более высоким приоритетом «вытесняет» из-под обслуживания заявку с низшим, так и относительным - когда начатое обслуживание доводится до конца, а заявка с более высоким приоритетом имеет лишь право на лучшее место в очереди.

Кроме этих признаков, СМО делятся на два класса: «открытые» и «замкнутые». В открытой СМО характеристики потока заявок не зависят от того, в каком состоянии сама СМО (сколько каналов занято). В замкнутой СМО - зависят. Например, если один рабочий обслуживает группу станков, время от времени требующих наладки, то интенсивность потока «требований» со стороны станков зависит от того, сколько их уже неисправно и ждет наладки. Это - пример замкнутой СМО. В исследуемой системе присутствуют элементы замкнутой системы, но с учетом масштабов и возможной расширяемости системы, мы будем рассматривать данную СМО как открытую.

Оптимизация работы СМО может производиться под разными углами зрения: с точки зрения организаторов (или владельцев) СМО или с точки зрения обслуживаемых клиентов. С первой точки зрения желательно «выжать все, что возможно» из СМО и добиться того, чтобы ее каналы были предельно загружены. С точки зрения клиентов желательно всемерное уменьшение очередей, которые зачастую становятся настоящим «бичом быта», приводя к бессмысленной трате сил и времени и, в конечном итоге, к понижению производительности труда. При решении задач оптимизации в теории массового обслуживания существенно необходим «системный подход», полное и комплексное рассмотрение всех последствий каждого решения. Например, с точки зрения клиентов СМО желательно увеличение числа каналов обслуживания; но ведь работу каждого канала надо оплачивать, что удорожает обслуживание. Построение математической модели позволяет решить оптимизационную задачу о разумном числе каналов с учетом всех «за» и «против». Поэтому мы не выделяем в задачах массового обслуживания какого-либо одного показателя эффективности, а сразу ставим эти задачи как многокритериальные.

В последние годы большое внимание уделяется исследованию систем массового обслуживания со многими входящими потоками требований.

Это вызвано практической деятельностью, связанной с решением вопросов рациональной организации функционирования систем массового обслуживания, а также необходимостью наиболее полно учитывать индивидуальные особенности поступающих требований при организации их обслуживания. В рассматриваемой системе было решено разделить входящие потоки требований по виду:

Программные ошибки или ошибки настроек ФР.

Неисправности блоков ФР, требующие замены.

Неисправности, требующие обращения в налоговые органы.

Не диагностируемые неисправности ФР.

К первому виду относятся ошибки, для исправления которых не требуется замена каких либо блоков ФР. Это ошибки в настройках ФР, а также разногласия ПО и ФР. Ко второму виду относятся поломки блоков ФР, требующие замены на новые. К третьему виду относятся неисправности в блоках ФП и ЭКЛЗ, требующие обращение в налоговую службу для получения разрешения на проведение ремонта. К четвертому виду относятся ошибки связи между ПК и ФР, что в свою очередь усложняет диагностику. Четвертый вид может быть вызван неисправным кабелем, что связывает ФР и ПК, или полной неисправностью всего ФР.

2.2 Математический метод решения задачи

Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод о том, что мы имеем систему, обслуживающую заявки.

В очередь на обслуживание поступают 4 потока заявок, каждая со своей интенсивностью л.

Система, состоящая из 4 каналов, обслуживает заявки в порядке поступления из очереди. Схематически рассматриваемая система представлена на (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема работы системы

Для получения основных характеристик рассматриваемой системы сделаем следующие замечания[4]: так как поступающие потоки требований являются пуассоновскими, то и суммарный поток будет пуассоновским с параметром

если Bi(t) - функция распределения времени обслуживания требований из потока i, то функция распределения времени обслуживания из суммарного потока имеет вид

Так как для нашей системы , то

Таким образом, наша система представляет систему массового обслуживания с одним обслуживающим устройством, пуассоновским входящим потоком с параметром Л и временем обслуживания, распределенным по закону (3). В этом случае среднее время ожидания в очереди

где . Это выражение в литературе известно как формула Полачека - Хинчина. Вычислим интегралы и преобразуем формулу (4):

Обозначим , тогда

Необходимо заметить, что формула (4) имеет место лишь тогда, когда выполняется условие стационарности, которое в данном случае может быть записано так:

Обозначим

Таким образом, среднее время ожидания требований каждого потока будет одним и тем же для требований всех потоков и может быть вычислено (для экспоненциального распределения времени обслуживания) по формуле

В заключение, не останавливаясь на доказательстве, приведем зависимость,котораяпозволяет,знаявыражение(9),вычислитьсреднеечислотребованийкаждоготипа,ожидающихвочереди:

Тогда суммарное число требований всех типов, ожидающих в очереди, будет равно

Процесс работы СМО представляет собой случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем. Процесс называется процессом с дискретными состояниями, если его возможные состояния S1, S2, S3,... можно заранее перечислить (перенумеровать), и переход системы из состояния в состояние происходит «скачком», практически мгновенно. Процесс называется процессом с непрерывным временем, если моменты возможных переходов из состояния в состояние не фиксированы заранее, а неопределенны, случайны, если переход может осуществиться, в принципе, в любой момент.При анализе таких процессов удобно пользоваться геометрической схемой - так называемым графом состояний. Состояния системы изображаются прямоугольниками (или кругами, или даже точками), а возможные переходы из состояния в состояние - стрелками, соединяющими состояния. Мы будем изображать состояния прямоугольниками, в которых записаны обозначения состояний: S1, S2,......, Sn. Имея в распоряжении размеченный граф состояний, можно легко написать уравнения Колмогорова для вероятностей состояний, а также написать и решить алгебраические уравнения для финальных вероятностей. Для некоторых случаев удается последние уравнениярешить заранее, в буквенном виде. В частности, это удается сделать, если граф состояний системы представляет собой так называемую «схему гибели и размножения». Особенность этого графа в том, что все состояния системы можно вытянуть в одну цепочку, в которой каждое из средних состояний (S1, S2,..., Sn-1) связано прямой и обратной стрелкой с каждым из соседних состояний - правым и левым, а крайние состояния (S0, Sn) - только с одним соседним состоянием[3].

В соответствии с описанной характеристикой состояния рассматриваемой системы пронумеруем следующим образом:

S0 - все каналы свободны,

S1 - занят один канал, остальные свободны,

Sk - заняты k каналов, остальные свободны,

Sn - заняты все n каналов,

Sn+1 - заняты все n каналов, одна заявка стоит в очереди,

Sn+r - заняты все n каналов, r заявок стоят в очереди

Пусть рассматриваемая система массового обслуживания состоит из nканалов и на неё поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью л, зависящей, в общем случае, от времени t.Обслуживание заявки продолжается в течение случайного времени Tоб, распределенного по показательному закону с параметром м

Граф состояний приведен ниже. У каждой стрелки проставлены соответствующие интенсивности потоков событий. По стрелкам слева направо систему переводит всегда один и тот же поток заявок с интенсивностью л; по стрелкам справа налево систему переводит поток обслуживаний, интенсивность которого равна м, умноженному на число занятых каналов (Рисунок 2.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

74

Рисунок 2.2 - Граф состояний

Обозначим отношение и будем называть величину с «приведенной интенсивностью» потока заявок. Физический смысл её таков: величина с представляет собой среднее число заявок, приходящих в СМО за среднее время обслуживания одной заявки.

Получим вероятность состояний предельным переходом. Заметим, что сумма соответствующей геометрической прогрессии сходится при и расходится при ; соответственно, установившийся режим будет существовать при , а при очередь будет бесконечно возрастать. Получим выражения для предельных вероятностных состояний:

Так как длина очереди в рассматриваемой СМО не ограничена каким то числом m и каждая заявка рано или поздно будет обслужена, то вероятность отказа будет равна нулю:

Следовательно, относительная пропускная способность будет равна единице:

Абсолютная пропускная способность будет равна общей интенсивности потока заявок:

Среднее число заявок в очереди получим при :

А среднее время ожидания:

Среднее число занятых каналов находится через абсолютную пропускную способность:

А среднее число заявок, связанных с СМО - как среднее число заявок в очереди плюс среднее число заявок, находящихся под обслуживанием (среднее число занятых каналов):

В большинстве случаев процесс поступления требований в систему массового обслуживания является вероятностным. Это значит, что промежутки времени, через которые поступают требования - случайные величины, подчиняющиеся некоторому закону распределения. Однако подавляющее число исследований по теории массового обслуживания выполнено для случая, когда входящий поток требований является пуассоновским, или, другими словами, простейшим.

Предпочтение пуассоновского потока другим обусловлено следующими обстоятельствами:

простейшие потоки и близкие к ним часто встречаются на практике;

для простейшего потока получены наиболее простые и удобные для практического использования формульные зависимости, описывающие поведение различных СМО;

даже если поступающий поток требований отличается от простейшего, при анализе такой СМО могут быть получены удовлетворительные по точности результаты, если этот поток заменить простейшим с такой же интенсивностью (т. е. с одним и тем же числом требований, поступающих в единицу времени).

Не останавливаясь на доказательстве, заметим, что пуассоновский поток обладает следующими тремя свойствами: стационарностью, ординарностью, отсутствием последействия.

Стационарным называется такой поток требований, для которого вероятность появления k требований (k = 0, 1,2,...) на участке времени длиной ф зависит не от места расположения этого участка на оси времени, а лишь от его длины. Таким образом, если на оси времени отложить равные участки длиной ф, то вероятности появления определенного числа требований на каждом из них будут совпадать (Рисунок 2.3). Другими словами, вероятностные характеристики стационарного потока требований не изменяются во времени.

Ординарным называется такой поток, для которого вероятность появления более одного требования за достаточно малый промежуток времени есть величина, бесконечно малая по сравнению с . С учетом принятых обозначений запишем:

Свойство ординарности практически означает невозможность поступления одновременно двух или больше требований.

Рисунок 2.3 - Свойство стационарности

Отсутствие последействия означает тот факт, что вероятность поступления k требований в течение заданного промежутка времени не зависит от числа и моментов поступлений до этого промежутка. Отсутствие последействия означает взаимную независимость процесса поступления требований в непересекающиеся промежутки времени.

Учитывая три названных свойства пуассоновского потока, можно получить следующую функцию распределения числа поступающих требований в течение заданного промежутка времени:

где л>0 - параметр потока. Таким образом, формула (2), называемая формулой Пуассона, определяет вероятность поступления k требований в течение промежутка времени t.

Информационные структуры для реализации предложенного решения

Разрабатываемое программное обеспечение состоит из клиентской и серверной частей. Для связи будет использоваться стек протоколов TCP/IP. Данный выбор обоснован следующими преимуществами[5]:

Основное достоинство стека протоколов TCP/IP в том, что он обеспечивает надежную связь между сетевым оборудованием от различных производителей.

Независимость от сетевой технологии - стек только определяет элемент передачи, дейтаграмму, и описывает способ ее движения по сети.

Всеобщая связанность - стек позволяет любой паре компьютеров, которые его поддерживают, взаимодействовать друг с другом. Каждому компьютеру назначается логический адрес, а каждая передаваемая дейтаграмма содержит логические адреса отправителя и получателя. Промежуточные маршрутизаторы используют адрес получателя для принятия решения о маршрутизации.

Подтверждения. Протоколы стека обеспечивают подтверждения правильности прохождения информации при обмене между отправителем и получателем.

Стандартные прикладные протоколы. Протоколы стека TCP/IP включают в свой состав средства поддержки основных приложений, таких как электронная почта, передача файлов, удаленный доступ и т.д.

Сегодня стек TCP/IP широко используется как в глобальных, так и в локальных сетях. Этот стек имеет иерархическую структуру, в которой определено 4 уровня (Таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Иерархическая структура стека TCP/IP

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала telnet, простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах. Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);

доставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на хосте-отправителе и хосте-получателе могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов на любой другой компьютер, входящий в составную сеть.

Второй протокол этого уровня, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется тогда, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня - прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к транспортному уровню прикладным и сетевым уровнями. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню-получателю. Нижележащий сетевой уровень протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.

Сетевой уровень, называемый также уровнем Интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением нескольких подсетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней, протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах (шлюзах). Протокол IP - это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями. Такой тип сетевого сервиса называют также «ненадежным».

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, предназначенные для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакета, и некоторые другие протоколы.

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой архитектуры других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов.

Нижние уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют множество функций доступа к среде передачи, формированию кадров, согласованию величин электрических сигналов, кодированию и синхронизации, а также некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, РРР и многих других.

У нижнего уровня стека TCP/IP задача существенно проще - он отвечает только за организацию взаимодействия с подсетями разных технологий, входящими в составную сеть. TCP/IP рассматривает любую подсеть, входящую в составную сеть, как средство транспортировки пакетов между двумя соседними маршрутизаторами.

Связь с ФР устанавливается через COM- порт. Для каждого ФР существует свой протокол обмена данными. У ФР производства ШТРИХ-М он един для всего модельного ряда, лишь с небольшими исключениями[6].

В информационном обмене «Хост - ФР» хост является главным устройством, а ФР - подчиненным. Поэтому направление передачи данных определяется хостом. Физический интерфейс «Хост - ФР» - последовательный интерфейс RS-232С, без линий аппаратного квитирования. Скорость обмена по интерфейсу RS-232С - 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200. При обмене хост и ФР оперируют сообщениями. Сообщение может содержать команду (от хоста) или ответ на команду (от ФР) (Рисунок 2.4).

Формат сообщения:

Байт 0: признак начала сообщения STX;

Байт 1: длина сообщения (N) - ДВОИЧНОЕ число. В длину сообщения не включаются байты 0, LRC и этот байт;

Байт 2: код команды или ответа - ДВОИЧНОЕ число;

Байты 3 - (N + 1): параметры, зависящие от команды (могут отсутствовать);

Байт N + 2 - контрольная сумма сообщения - байт LRC - вычисляется поразрядным сложением (XOR) всех байтов сообщения (кроме байта 0).

Сообщение считается принятым, если приняты байт STX и байт длины. Сообщение считается принятым корректно, если приняты байты сообщения, определенные его байтом длины, и байт LRC. Каждое принятое сообщение подтверждается передачей одного байта (ACK - положительное подтверждение, NAK - отрицательное подтверждение). Ответ NAK свидетельствует об ошибке интерфейса (данные приняты с ошибкой или не распознан STX), но не о неверной команде. Отсутствие подтверждения в течение тайм-аута означает, что сообщение не принято. Если в ответ на сообщение ФР получен NAK, сообщение не повторяется, ФР ждет уведомления ENQ для повторения ответа. После включения питания ФР ожидает байт запроса - ENQ. Ответ от ФР в виде байта NAK означает, что ФР находится в состоянии ожидания очередной команды; ответ ACK означает, что ФР подготавливает ответное сообщение, отсутствии ответа означает отсутствие связи между хостом и ФР.

Рисунок 2.4 - Схема основных процессов ХОСТ - ФР

По умолчанию устанавливаются следующие параметры порта: 8 бит данных, 1 стоп-бит, отсутствует проверка на четность, скорость обмена 4800 бод и тайм-аут ожидания каждого байта, равный 50 мс. Две последние характеристики обмена могут быть изменены командой от хоста. Тайм-аут ожидания реакции ФР на запрос ENQ не должен быть меньше 10 с. Минимальное время между приемом последнего байта сообщения и передачей подтверждения, и между приемом ENQ и реакцией на него равно тайм-ауту приема байта. Количество повторов при неудачных сеансах связи (нет подтверждения после передачи команды, отрицательное подтверждение после передачи команды, данные ответа приняты с ошибкой или не распознан STX ответа) настраивается при реализации программного обеспечения хоста (Рисунок 2.5).

Для упрощения обмена ПК с ФР существует драйвер от поставщика оборудования. Драйвер представляет собой библиотеку свойств и методов, которую можно загрузить как внешнюю компоненту во многих языках и средах, таких какBuilder C++, Borland Delphi, 1С:ПРЕДПРИЯТИЕ и т.д. Список свойств и методов представлен в приложении Б[7].

Рисунок 2.5 - Диаграмма состояний обмена нижнего уровня со стороны ФР

Сложность реализации предложенного решения и её качественная оценка

Сложность реализации заключается в подстройке выработанной модели под рассматриваемую систему. Исходя из особенностей работы данного сервисного центра, необходимо построить рабочую модель, по которой можно будет управлять характеристиками работы сервисного центра, то есть улучшать эффективность его работы. Из описанных выше характеристик системы, выберем те, что подходят под описание рассматриваемой системы.

Для начала, необходимо найти суммарную интенсивность, сложив интенсивности всех потоков заявок

Где - количество потоков заявок

- интенсивность i-го потока заявок

Далее необходимо найти приведенную интенсивность каждого отдельного и суммарного потока

Где - интенсивность обслуживания

- количество каналов обслуживания

Суммарная приведенная интенсивность должна быть меньше единицы, иначе работа системы будет не стабильной, а очередь заявок будет бесконечно возрастать.

Затем найдем среднее время ожидания требований каждого потока. Так как в рассматриваемой системе все потоки заявок формируют единую очередь, то среднее время ожидания для них будет одинаковым.

Среднее число заявок каждого типа ожидающих в очереди найдем по формуле

Среднее время пребывания заявки в системе найдем сложив время ожидания заявки в очереди и фактическое время обслуживания заявки

Таким образом, мы имеем характеристики системы, по которым можно спрогнозировать работу системы. Для демонстрации сложности управления подобной системой, проведем 10 последовательных экспериментов. Проставим случайным образом интенсивности потока заявок и интенсивности обслуживания, так, чтобы очередь заявок не возрастала бесконечно. Интенсивность одного из потоков будем менять в течение экспериментов от 1 до 10. После каждого эксперимента, запишем значения интенсивности и среднее число заявок каждого потока в виде точек графика (Рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Результаты эксперимента

После расставления всех точек мы получаем график, отображающий отношение интенсивности одного из потоков заявок к среднему числу всех заявок в очереди. Проведем повторный эксперимент (Рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Результаты эксперимента

Из результатов экспериментов мы видим, как изменение интенсивности одного потока влияет на количество заявок в очереди не только этого потока, но и всех остальных. Причем, небольшое изменение интенсивности одного потока может сильно увеличить количество заявок в очереди другого.

Рассмотрим, как влияет интенсивность одного из потоков заявок на среднее время ожидания заявки в очереди (Рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Результаты эксперимента

Таким образом, можно сделать вывод, что управление характеристиками системы несет за собой серьёзные изменения в работе системы. Во избежание негативных результатов, необходимо обдуманное и аккуратное управление системой.

Предметная область описана формализованно.

Разработана математическая модель многоканальной системы массового обслуживания с ожиданием.

Разработанны информационные структуры для реализации предложенного программного решения, основанные на стеке протоколов TCP/IP и библиотек методов и свойств от поставщика оборудования.

3. Технологический раздел

3.1 Структура программного комплекса и UML-представление ПО

Программный комплекс состоит из клиентской и серверной частей, соединенных по протоколу TCP/IP (Рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Общая структура программного комплекса

Клиент представляет собой набор компонентов и драйверов, необходимых для установки связи с оборудованием и серверной частью (Рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Диаграмма классов клиентской части

Сервер представляет собой набор компонентов для связи с клиентской частью, а также команды для вызова определенный методов на клиентской части (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Диаграмма классов серверной части

3.2 Обоснование выбора инструментальных средств реализации программного решения

Для разработки данного программного обеспечения была выбрана среда разработки Delphi версии 7.

Delphi - это продукт Borland International для быстрого создания приложений. Процесс создания интерфейса будущей программы напоминает забаву с игровым компьютерным конструктором. Поэтому RAD-среды еще называют визуальными средами разработки: какими мы видим рабочие и диалоговые окна программы при проектировании, такими они и будут, когда программа заработает.

Высокопроизводительный инструмент визуального построения приложений включает в себя настоящий компилятор кода и предоставляет средства визуального программирования, несколько похожие на те, что можно обнаружить в Microsoft Visual Basic (она не является RAD-системой) или в других инструментах визуального проектирования. В основе Delphi лежит язык Object Pascal, который является расширением объектно-ориентированного языка Pascal. В Delphi также входят локальный SQL-сервер, генераторы отчетов, библиотеки визуальных компонентов, и прочее, необходимое для того, чтобы чувствовать себя совершенно уверенным при профессиональной разработке информационных систем или просто программ для Windows-среды.

Прежде всего Delphi предназначен для профессиональных разработчиков, желающих очень быстро разрабатывать приложения в архитектуре клиент-сервер. Delphi производит небольшие по размерам высокоэффективные исполняемые модули (.exe и.dll), поэтому в Delphi должны быть, прежде всего, заинтересованы те, кто разрабатывает продукты на продажу. С другой стороны небольшие по размерам и быстро исполняемые модули означают, что требования к клиентским рабочим местам существенно снижаются - это имеет немаловажное значение и для конечных пользователей.

Преимущества Delphi по сравнению с аналогичными программными продуктами.

быстрота разработки приложения (RAD);

высокая производительность разработанного приложения;

низкие требования разработанного приложения к ресурсам компьютера;

наращиваемость за счет встраивания новых компонент и инструментов в среду Delphi;

возможность разработки новых компонентов и инструментов собственными средствами Delphi (существующие компоненты и инструменты доступны в исходных кодах);

удачная проработка иерархии объектов.