Построение и анализ информационного обеспечения в информационных системах на водном транспорте

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального 

образования 

"Московская государственная академия водного транспорта"

Н.Н. Карабутов, П.Н. Карабутов, М.И. Иванов 

ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННОГО 

ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

МОСКВА – 2014

УДК 621.38

Н.Н. Карабутов,  П.Н. Карабутов, М.И. Иванов Построение и анализ 

информационного обеспечения в информационных системах на водном 

транспорте: Учебное пособие. — М.: Альтаир-МГАВТ, 2014. 178 с.

Излагаются вопросы создания построения и анализа информационного обеспечения 

судоходных компаний. Приведены методы синтеза структуры и моделей информационного 
обеспечения на основе применения информационных технологий. Рассмотрены технологии 
извлечения данных из баз данных. Описаны аналитические и алгоритмические методы анализа данных и идентификации. Освещены методы оптимизации и принятия решений по 
управления флотом на основе полученных математических моделей с учетом рисков.

Рассчитано на пользователя, желающего ознакомиться с проблемами построения и ана
лиз информационного обеспечения. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 230400.62 Информационные системы и технологии, профиль подготовки «Информационные системы и технологии на транспорте» а также 080500.62 «Бизнес-информатика» при изучении таких базовых дисциплин, как «Архитектура информационных систем», «Управление данными»,  «Моделирование систем и процессов на водном транспорте».

Рецензенты: кафедра информационных технологий и систем в экономике и 

управлении Московского государственного индустриального университета

доктор технических наук О.А. Тягунов

Издается по решению Учебно-методического совета МГАВТ

Одобрено на заседании кафедры информатики и компьютерных технологий 

МГАВТ от 05.11.2013 г., протокол №3

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов 

несут авторы и кафедра академии, выпускающая учебно-методические материалы.

© МГАВТ, 2014

© Н.Н. Карабутов,  2014

©П.Н. Карабутов, 2014

©М.И. Иванов, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение .......................................................................................................................... 3
Глава 1. Анализ методов и информационных технологий, 

применяемых в системах оперативного управления
флотом судоходной компании ................................................................... 7

1.1. Корпоративные информационные системы на водном транспорте ............... 7
1.2. Методы идентификации процессов управления флотом

в судоходных компаниях.................................................................................. 17

1.3. Методы анализа, оптимизации и принятия решений, 

применяемые в системах управления водным транспортом ........................ 21

Глава 2. Построение и анализ информационного обеспечения в системах опера
тивного управления флотом на основе функционального моделирования процессов.............................................................................................. 32

2.1. Функциональное моделирование процессов в системах оперативного управле
ния судоходными компаниями ........................................................................ 32
2.1.1. IDEF0 модели в функциональном моделировании............................... 34
2.1.2. IDEF3-модели в функциональном моделировании .............................. 38

2.2. Информационная модель движения судна...................................................... 41
2.3. Разработка логической модели информационного обеспечения

процесса управления флотом ........................................................................... 48

2.4. Методы извлечения информации из баз данных и их анализ ....................... 51

2.4.1. Основные понятия и определения.......................................................... 51
2.4.2. Процедура извлечения данных с помощью OLAP-технологии.. 54

Глава 3. Разработка методов идентификации процессов и обработки 

данных в системе оперативного управления флотом......................... 60

3.1. Алгоритмы обработки результатов извлечения данных

с помощью OLAP-технологий ......................................................................... 60
3.1.1. Алгоритм обнаружения аномальных измерений .................................. 61
3.1.2. Обнаружение пропущенных значений................................................... 68

3.2. Методы идентификации процессов в подсистеме оптимизации эксплуатацион
ных показателей управления флотом.............................................................. 76
3.2.1. Постановка задач...................................................................................... 77
3.2.2. Синтез адаптивных алгоритмов.............................................................. 79
3.2.3. Алгоритм оценивания вектора K .......................................................... 81
3.2.4. О выборе матрицы 
)
(t
Q
в алгоритме (3.19).......................................... 84

3.2.5. Моделирование адаптивных алгоритмов............................................... 84

3.3. Математические модели по каналу 

"скорость движения — расход топлива"......................................................... 88

3.3.1. Синтез статических моделей................................................................... 89
3.3.2. Построение динамических моделей....................................................... 93

3.4. Идентификация параметров функции распределения 

стояночного времени судна.............................................................................. 95

Глава 4. Оптимизация и принятие решений в системе оперативного управления 

флотом судоходной компании 
на основе применения математических моделей .............................. 103

4.1. Подходы и методы оптимизации, применяемые 

в системах оперативного управления работой
флота судоходной компании.......................................................................... 103

4.2. Алгоритм оптимизации расхода топлива при движении

судна по закреплѐнным линиям с учетом рисков ....................................... 109

4.3. Разработка алгоритма оптимизации движения флота

судоходной компании по транспортной сети............................................... 125

Заключение................................................................................................................. 137
Литература.................................................................................................................. 140
Приложения................................................................................................................ 150

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях важное значение приобретает проблема повыше
ния эффективности управления флотом судоходных компаний. Это связано, 

прежде всего, с увеличением грузооборота, изменением экономических усло
вий их функционирования. Поэтому основное внимание должно уделяться 

уменьшению эксплуатационных расходов флота и совершенствованию системы 

оперативного управления. Одно из ключевых направлений совершенствования 

оперативного управления флотом связано с получением достоверной информа
ции о состоянии флота и дальнейшим ее анализом и принятием решений. До 

настоящего времени в системах оперативного управления методы анализа ин
формации и принятия решений, в основном, применялись для решения задач 

контроля, нормирования учета и анализа финансового состояния судоходных 

компаний. В системах оперативного управления флотом практически не ис
пользовались методы идентификации процессов, что сказывалось на эффектив
ности реализуемых решений и не позволяло вырабатывать управляющие воз
действие, учитывающие текущее состояние компании, а также определять ди
намичное развитие судоходной компании на перспективу.

Применение средств вычислительной техники и передачи данных позво
лило существенно повысить качество управления работой судоходных компа
ний за счет получения оперативной информации о состоянии флота и после
дующего ее анализа. Подходы к анализу базируются на применении математи
ческих моделей и методах оптимизации. Большой вклад в разработку экономи
ко-математических методов, алгоритмов оперативного управления и оптимиза
ции движения судов внесли Б.А. Атлас, А.С. Бутов, К.А. Гаринов, В.П. Зачесов,

А.П. Ирхин, Ю.М Кулибанов, В.Д. Левый; А.Г. Малышкин, С.В Перевезенцев, 

Ю И. Платов, А.Ю. Платов, С.М. Пьяных, Л.М. Рыжов, В.И. Савин, В.В. Саха
ров, А.А. Союзов, В.И. Толшин, В.М. Федюшин, В.Г Фомин, Ю.Н Уртминцев, 

Д.Н. Шустов и другие. Совершенствование оперативного управления особенно 

актуально в распределенных системах управления, которые являются домини

рующими на речном транспорте. В первую очередь это связано с разработкой 

эффективных алгоритмов извлечения информации из удаленных баз данных, 

методов идентификации процессов и их применением для оптимизации и обос
нованного принятия решений в условиях неопределенности. Несмотря на вне
дрение информационных технологий на речном транспорте оперативному 

управлению и в первую очередь оперативному анализу, планированию, прогно
зированию и принятию решений в системах управления флотом судоходной 

компании (СК) на основе математических моделей уделялось недостаточно 

внимания.

Поэтому данной работы является рассмотрение способов построения ин
формационного обеспечения корпоративных информационных систем на вод
ном транспорте, извлечения и анализа данных и принятие на их основе решения 

по оперативному управлению работой подразделений судоходной компании.

Учебное пособие состоит из введения, четырех глав, выводов и заключе
ния, списка литературы и приложений.

В первой главе приведѐн анализ современного состояния внедрения ин
формационных технологий и корпоративных информационных систем на вод
ном транспорте, а также методов анализа и обработки данных, оптимизации и 

идентификации, применяемых в системах оперативного управления на водном 

транспорте.

Во второй главе рассмотрены вопросы применения функционального мо
делирования для синтеза информационных и логических моделей, позволяю
щих синтезировать информационное обеспечение систем оперативного управ
ления флотом судоходных компаний. Разработана информационная модель 

процесса управления флотом на основе применения методологии IDEF0. Вы
полнена декомпозиция контекстной модели IDEF0 процесса движения судна по 

закрепленной линии. На основе результатов IDEF0-моделирования синтезиро
вана операционная модель обработки данных в подсистеме оперативного 

управления флотом в нотации IDEF3. На основе IDEF3-диаграммы разработана 

имитационная модель процесса оперативного управления работой судна, пред
назначенная для реализации в программной среде Arena. Предложена процеду
ра извлечения информации из корпоративных баз данных с помощью OLAP
технологии для последующего оперативного анализа ее в Microsoft Excel.

В третьей главе проанализированы методы и алгоритмы, применяемые для 

обработки результатов извлечения информации из баз данных с помощью 

OLAP-технологий. Предложен адаптивный алгоритм обнаружения аномальных 

измерений, основанный на анализе изменения текущего среднего исследуемой 

переменной. Разработана процедура обнаружения пропущенных значений в ре
зультатах измерений, основанная на прогнозировании пропущенного значения 

с помощью двух статических моделей, описывающих изменение временного 

ряда. Для проверки правильности полученного прогноза пропущенного значе
ния предложен алгоритм принятия решения, основанный на процедуре нечет
кого вывода. Разработана методика адаптивной идентификации процессов в 

подсистеме оптимизации эксплуатационных показателей управления работой 

судна по каналу ―скорость движения - расход топлива‖.

В четвѐртой главе разрабатываются алгоритмы оптимизации эксплуатаци
онных расходов флота судоходной компании на основе обобщения экономико
математических методов и применения адаптивных моделей, имитационного 

моделирования и учета возникающих рисков в условиях неопределенности.

В приложениях приведены исходные данные, алгоритмы и методики, лис
тинги программных модулей.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направ
лению подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии, профиль 

подготовки «Информационные системы и технологии на транспорте», а также 

080500.62 «Бизнес-информатика» при изучении таких базовых дисциплин, как 

«Архитектура информационных систем», «Управление данными»,  «Моделиро
вание систем и процессов на водном транспорте».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО 

УПРАВЛЕНИЯ ФЛОТОМ СУДОХОДНОЙ КОМПАНИИ

1.1. Корпоративные информационные системы 

на водном транспорте

В соответствии с концепцией развития внутреннего водного транспорта 

Российской Федерации на период до 2015 года [38] приоритетной по повыше
нию конкурентоспособности отрасли является задача информатизации на осно
ве создания и использования новых информационных систем, которых ранее не 

могло быть принципиально реализованы. Достижения в области компьютерной 

техники, средств связи, телекоммуникационных и информационных техноло
гий, математических методов и программных средств создали необходимые 

предпосылки для совершенствования оперативного управления перевозками и 

работой флота. Все эти технологии стали предвестниками создания корпора
тивных информационных систем оперативного управления флотом (КИСУФ) в 

ряде судоходных компаний (СК).

Дальнейшее развитие положений этого документа было заложено в проек
те концепции реформирования системы управления внутренними водными пу
тями, представленной Министерство транспорта РФ от 11.06.2009 на заседании 

правительства РФ. В ней отмечается, что необходимо сохранить единую госу
дарственную сетевую инфраструктуру внутренних водных путей и единое ин
формационное обеспечение отрасли. Это позволит к 2015 г. увеличить перевоз
ку грузов до 180 млн. т., их перевалку в речных портах — до 300 млн. т. в год и 

пассажирских перевозок — до 28 млн. человек.

Одним из направлений реализации данной концепции является создание 

корпоративных информационных систем. Задачи, решаемые с помощью корпо
ративных информационных систем и информационных технологий, включают 

автоматизацию документооборота, системы мониторинга, логистики, управле

ния производственными процессами, обеспечение безопасной работы и форми
рования баз данных. В [98] отмечается слабый уровень поддержки информаци
онных технологий (ИТ) даже на уровне одной судоходной компании. Это в 

первую очередь связано с тем, что не существует единого подхода к информа
тизации корпоративных структур. Серьезной проблемой остается слабая прора
ботка и интеграция ИТ [98] даже в пределах одной корпоративной структуры.

Немаловажную роль играет и вторая 
составляющая 
информационно
коммутационных технологий, ориентированная на создание общей транспорт
ной среды для всех информационных подсистем в рамках корпоративных тех
нологических систем электросвязи. Взаимоувязка в единое целое этих двух 

подсистем представляет собой сложную техническую задачу и далека от своего 

решения. Учитывая это, в [98] предложена концепция и принципы построения 

экономичной цифровой сети, которые были одобрены Департаментом внутрен
них водных путей «Росречфлота». Базовый проект предполагаемой сети осно
ван на следующей концепции построения сети.

1. Формирование первичной сети «Росморречфлота» на базе использова
ния на большинстве магистральных направлений готовых цифровых сетей опе
раторов «ТрансТелеКом», «Ростелеком» и др.

2. Создание узлов доступа на однотипном оборудовании, работающих в 

мультисервисном режиме, в основных опорных точках магистральной и зоно
вых (бассейновых) сетей связи отрасли.

Пример организации связи узла доступа корпоративной VPN (виртуальная 

частная сеть) сети показан ан рис. 1.1.

Предлагаемый в [98] подход в основном направлен на решение коммута
ционной составляемой создаваемой сети. Вопросам информационного обеспе
чения, а также его структуре и методам проектирования внимания не уделя
лось.

В [88] предложены методы построения информационного обеспечения 

АСУ движения судов на внутренних водных путях. Они основаны на примене

нии теории баз данных и информационных технологий, позволяющих синтези
ровать логическую модель корпоративных информационных систем.

Рис. 1.1. Схема организации связи узла доступа корпоративной VPN сети 

"РОСМОРРЕЧФЛОТА"

Одной из первых судоходных компаний в России, внедрявшей КИСУФ, 

является ЗАО «Транспетроволга» (СК «ВижнФлот»), входившее в группу ком
паний «СФАТ». С первых дней работы компании (в 1995 году) руководством 

были поставлены задачи по разработке системы управления флотом [16]. Пер
вая версия судовой информационной системы была установлена на судах ЗАО 

«Транспетроволга». Основными принципами, на которых должна базироваться 

информационная система, сводились к следующим положениям [17].

1. Управление флотом должно быть централизованным: вся оперативная 

информация должна стекаться в диспетчерский центр, для выработки 

управляющих воздействий.

2. Аппарат диспетчерского центра должен иметь возможность в любое вре
мя суток получать информацию о точном местоположении судна, его 

техническом и финансовом состоянии.

3. Диспетчер должен иметь возможность немедленной связи с экипажем 

судна в любое время суток.

4. Экипаж судна должен иметь возможность немедленной связи с диспет
черским центром в любое время суток.

5. Вся информация о местоположении судов, переписка диспетчера с суд
ном, отчетная информация, поступающая с судов, должна протоколиро
ваться как на борту судна, так и в диспетчерском центре для последую
щего анализа.

6. Затраты на эксплуатацию системы должны быть минимально возможны
ми.

Рис. 1.2. Схема информационного обмена в системе «судно-судоходная 

компания», основанная на корпоративной информационной системе

Структура корпоративной информационной системы была продиктована 

поставленными задачами [17], а также условиями использования систем связи. 

Поскольку требовалось централизованное управление флотом, был организован 

единый диспетчерский центр. Вся информация, используемая в системе, хра
нится в базе данных, доступ к которой обеспечивается как руководству компа
нии, так и диспетчерский аппарат. Так как текущий обмен сообщениями с су
дами контролируется автоматизированной системой, то соответствующая ин

формация также вводится в базу данных. Такой подход к формированию и хра
нению информации позволяет принимать решения как на основе текущей ин
формации, так ретроспективной. Основное внимание в разработанной системе 

уделено управлению движением судна и контролю за состоянием эксплуатаци
онных показателей. Структура соответствующей подсистемы показана на 

рис. 1.2. 

Техническое обеспечение системы управления водным транспортом судо
ходной (СУВТ) компании включает в себя только стандартное компьютерное 

оборудование. В диспетчерском центре установлен сервер баз данных, подклю
ченный к локальной сети офиса (это может быть коммерческая система под 

управлением Windows или свободно распространяемая система Linux плюс 

коммерческая СУБД Oracle), коммуникационный сервер для организации связи 

с судами (система Linux небольшой мощности) и персональные компьютеры 

сотрудников.

Информационные потоки в СУВТ включают в себя обмен сообщениями 

между судами и диспетчерским центром, а также получение информации о ме
стоположении транспортных средств. Для уменьшения трафика между диспет
черским центром и судами, а также для упорядочения сведений о работе и со
стоянии кораблей используется механизм отчетности.

Система оперативного управления судами формирует следующие виды от
четности:

а) ежесуточный отчет (эксплуатационные данные за истекшие сутки);

б) отчет о погрузке;

в) отчет о приходе в порт выгрузки;

г) отчет о стоянках в пути;

д) отчет о бункеровках топливом и маслом.

С целью повышения эффективности принятия управленческих решений, 

оптимизация документооборота в 2004 г. в управлении международных грузо
вых перевозок Волжского пароходства было принято решение о внедрении ин