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 ана-
лиза 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 специ-
альности 230400.62 Информационные системы и технологии, профиль подготовки «Информаци-
онные системы и технологии на транспорте» а также 080500.62 «Бизнес-информатика» при изуче-
нии таких базовых дисциплин, как «Архитектура информационных систем», «Управление данны-
ми»,  «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 моделирова-
ния 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-