Введение к работе
з
Диссертационная работа посвящена исследованию вопросов синхронизации автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) на железнодорожном транспорте.
Актуальность проблемы. Существенное улучшение качества транспортных услуг, повышение эффективности перевозочного процесса и обеспечение безопасности движения поездов невозможно без перехода от информационных АСУТП к интеллектуальным информационно-управляющим АСУТП и интеграции разрозненных локальных АСУТП в единую информационную среду. Выполнение таких задач, как документирование времени поступления и выдачи информации, организация очерёдности обработки запросов, ситуационный анализ событий (очерёдность, последовательность во времени, длительность) и многих других требуют наличия средств поддержания единого времени (ЕВ) в составе технического обеспечения АСУТП. Расхождение показаний времени в АСУТП снижает эффективность и надёжность их работы, ограничивает совместимость и возможность интеграции отдельных систем. Проблема поддержания ЕВ в одной и той же системе обостряется необходимостью передачи сигналов времени (СВ) на значительные расстояния, поскольку большинство АСУТП на железнодорожном транспорте имеют территориально-распределённую структуру. Таким образом, вопрос синхронизации функционирования АСУТП приобретает исключительную важность для повышения эффективности их функционирования, их интеграции и организации единого информационного пространства.
Согласно принятым «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.», в последние годы на железнодорожном транспорте России эффективно внедряются инновационные технологии, предусматривающие применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), на которые возложено в комплексе как координатное, так и временное обеспечение АСУТП. Несмотря на известные достоинства ГНСС (высокая точность СВ, их доступность в любой точке на поверхности Земли и возможность размещения приемного оборудования на подвижных объектах), существенным недостатком этих систем является повышенная уязвимость (непреднамеренные помехи, радиоэлектронное подавление, радиодезинформация и другие факторы), снижающая доступность и информационную безопасность СВ.
Распространенным средством синхронизации времени в фиксированных сетях передачи данных является стандартизованный протокол сетевого времени (Network Time Protocol, NTP), обеспечивающий в глобальных сетях точность в пределах 10...100мс. Более высокую точность синхронизации времени позволяет получить протокол прецизионного времени (Precision Time Protocol, РТР), однако область его применения ограничена локальными вычислительными сетями.
Следовательно, средствами ГНСС и сетей передачи данных затруднительно обеспечить в совокупности высокие показатели точности, доступности и информационной безопасности СВ.
ОАО «РЖД» располагает технологическими первичными сетями связи синхронной цифровой иерархии (СЦИ) на основе ВОЛП, которые реализуют потенциально высокую точность передачи синхронизирующей информации, а также отличаются высокой надежностью и информационной безопасностью. Согласно публикациям последних лет, известные результаты исследований по использованию ВОЛП для синхронизации времени с высокой точностью (не хуже 10" с) носят частный характер и пока не вышли за рамки лабораторных исследований; отдельные технические решения, открывающие пути реализации систем синхронизации времени (ССВ) на основе ВОЛП, находятся в начальной стадии разработки.
Таким образом, создание ССВ с использованием ВОЛП, имеющей гарантированные и высокие показатели точности, доступности и информационной безопасности СВ, не зависящей от электромагнитной обстановки, является актуальным, поскольку позволит:
повысить надёжность и эффективность АСУТП;
расширить возможности интеллектуализации АСУТП;
обеспечить ЕВ, необходимое для формирования единого информационного пространства отрасли;
создать условия для обеспечения совместимости АСУТП и их интеграции в интеллектуальную систему управления железнодорожным транспортом.
Вопросам поддержания ЕВ с использованием средств сетей передачи данных и ГНСС (включая применение на железнодорожном транспорте) уделено внимание в многочисленных работах следующих российских и зарубежных ученых: Басевич А.Б., Блинов И.Ю., Богданов П.П., ГайдаманчукВ.А., Геворкян А.Г., Гончаров А.С, Денисенко О.В., Добровольский В.П., Донченко СИ., ДухинС.В., Железнов М.М., Жолнеров B.C., Коновалов Г.В., КошеляевскийН.Б., Манойло Д.С., Матвеев СИ., Мек-кель A.M., Савчук А.В., Шапошников В.Н., Черняк И.П., Шварц М.Л., Bregni S., Chua Н.А., Davis J.A., Daly P., Garner G.M., Hahn J.H., Hollander K., Jong G., Kuaw A.M., Lewandowski W., Lombardi M.A., Mills D.L., MiranianM., PoldermanC, SchneuwlyD., Schmidt L., Shan Y., Shaton G.A., Tavella P. и многих других.
Однако использованию ВОЛП для целей синхронизации времени посвящено небольшое количество работ как у нас в стране, так и за рубежом. Среди них следует выделить работы Рыжкова А.В., в которых впервые поставлена и рассмотрена проблема создания ССВ с использованием ВОЛП. Над отдельными вопросами этой проблемы работали: Алексеев Ю.А., ДавыдкинП.Н., Ерёмин Е.В., Донченко СИ., Иванов А.В., Колтунов М.Н., ЛеготинН.Н., Buzek О., Calhoun М., DienerW., ImaokaA.,
5 Kihara M., Kuhnle P., Lopez J., Richard L., Sydnor R. и другие учёные.
Цели и задачи диссертации. Цель диссертационной работы - повышение показателей точности и надежности синхронизации функционирования АСУТП на железнодорожном транспорте.
Поставленная цель достигается путём создания ССВ с использованием ВОЛП, что потребовало проведения исследований и решения следующих задач:
систематизация существующих теоретических и практических результатов исследований, связанных с решением проблемы синхронизации времени с использованием ВОЛП;
моделирование ССВ;
моделирование цифровых систем передачи (СП), работающих по ВОЛП;
оценка влияния флуктуации фазы (ФФ) генераторного оборудования на ошибку времени;
моделирование ВОЛП в условиях воздействия окружающей среды;
разработка и обоснование решений по реализации ССВ с высокими показателями точности, доступности и информационной безопасности СВ.
Объектом исследований является ССВ, включающая технические средства формирования и синхронизации шкал времени (ШВ) и соединяющие их каналы передачи данных, организованные с использованием ВОЛП. Предметом исследований является процесс синхронизации ШВ в рассматриваемой ССВ.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы теории автоматического управления, электрических цепей и статистической радиотехники, математическое и имитационное моделирование, экспериментальные методы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются допустимым отличием результатов теоретических и экспериментальных исследований, корректностью выбора методов исследований и математических моделей, правильностью использования математического аппарата.
Научная новизна исследований заключается в разработке принципов синхронизации функционирования АСУТП на железнодорожном транспорте с использованием ВОЛП, что представлено совокупностью следующих положений:
Разработана модель ССВ в виде последовательной цепи ведущих и ведомых узлов, соединённых каналами передачи, отражающая влияние детерминированных и случайных факторов на ошибку времени (time error) при синхронизации АСУТП.
Получены выражения для моделирования механизмов и факторов, обусловливающих задержки распространения сигнала Е12 (2048 кбит/с) в различных устройствах цифровых СП, работающих по ВОЛП: волоконно-оптического модема (ВОМ), СП плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) и СП СЦИ для режимов ввода, вывода и
транзита и определён их вклад в ошибку времени при синхронизации АСУТП.
Получена количественная оценка влияния ФФ на ошибку времени с использованием имитационной модели, позволившая определить влияние ФФ генераторного оборудования на показатели точности синхронизации АСУТП на основе временных и спектральных характеристик фазовых шумов.
Получены выражения, описывающие влияние температуры окружающего воздуха и суммарной солнечной радиации на изменения задержек распространения сигнала по ВОЛП большой протяжённости с подвеской кабеля на опорах и определён вклад этих задержек в ошибку времени при синхронизации АСУТП.
Предложены научно обоснованные решения по реализации ССВ с использованием ВОЛП, позволяющие повысить показатели точности и надежности синхронизации функционирования АСУТП железнодорожного транспорта.
Основные положения, выносимые на защиту:
Базовая модель ССВ, включающая устройства формирования и синхронизации ШВ и каналы передачи данных, организованные с использованием ВОЛП.
Модели задержек распространения сигнала Е12 (2048 кбит/с) в цифровых СП.
Методика оценки влияния ФФ генераторного оборудования на ошибку времени с использованием имитационной модели.
Модели задержек распространения сигнала в ВОЛП, учитывающие влияние температуры окружающего воздуха и суммарной солнечной радиации.
Технические решения аппаратуры распределения сигналов времени (АРСВ), осуществляющей синхронизацию ШВ с применением цифровых каналов, организованных системами передачи с ВОЛП.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы. Теоретическая значимость результатов работы состоит в выявлении механизмов и факторов, оказывающих влияние на задержки распространения сигнала в ВОЛП и каналах передачи данных на их основе, что имеет большое значение для улучшения показателей систем синхронизации АСУТП.
Практическая значимость результатов работы состоит в решении проблемы синхронизации функционирования АСУТП путём создания ССВ с использованием ВОЛП, в результате чего повысится эффективность функционирования АСУТП и возрастут возможности их интеграции.
Разработанные модели и методики могут использоваться для оценки задержек распространения сигналов в сети с ВОЛП, что имеет большое значение для работы критичных к задержкам приложений.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в организациях:
- ООО «АЛТО» - результаты диссертационной работы в части разработки тех-
7 нических решений ССВ использованы в процессе создания и испытаний опытных образцов АРСВ;
ЗАО «Компания ТрансТелеКом» - результаты работы использовались в процессе разработки и испытаний опытного фрагмента опорной сети ЕВ при выборе способов передачи СВ; модели расчета задержек сигнала в оборудовании и волоконно-оптических линиях, а также методики расчета ФФ генераторного оборудования использовались для оценки характеристик точности СВ;
ФГУ «32 ГНИИИ МО РФ» - результаты диссертационной работы использовались в рамках НИР в разработанных предложениях: по сличению ШВ эталонов (на основе технических решений ССВ с использованием ВОЛП); по основным направлениям развития средств и методов метрологического обеспечения (на основе моделей задержек распространения сигнала в СП СЦИ и линиях передачи). Результаты работы по сличению ШВ территориально разнесённых эталонов реализованы в опытном фрагменте сети ЕВ на участке ФГУ «32 ГНИИИ Минобороны России» (г. Мытищи) -Станция Мытищи - управление Московской железной дороги (г. Москва).
Результаты работы также включены в учебное пособие «Компьютерные сети и телекоммуникации», которое готовится к выпуску в издательстве «Академия».
Апробация результатов работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на 8 международных и 2 российских научно-технических конференциях.
Публикации результатов работы. Основные результаты исследований опубликованы в 22 печатных работах (из них 7 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК).
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников (177 наименований) и шести приложений. Общий объем составляет 237 страниц, включая 177 страниц текста, 59 рисунков и 22 таблицы.
Похожие диссертации на Синхронизация функционирования автоматизированных систем управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте
