Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ задачи исследования 7
1.1. Комплексы телеуправления и контроля (КТК) нефте и газо проводами 7
1.2. Достоверность передачи информационных потоков по каналам телеуправления. Постановка задачи исследования 13
1.3. Выбор вида помехоустойчивого кодирования сигналов комплекса телеуправления 18
Выводы 23
Глава 2. Разработка пути повышения достоверности передачи информации по каналам телеуправления и исследование его эффективности 24
2.1. Свойства циклических кодов Рида-Соломона 24
2.2. Разработка алгоритмов кодирования цифровых информационных блоков нерегулярной длины 37
2.3. Исследование вероятности битовой ошибки на выходе разрабатываемого кодека 42
2.4. Анализ вероятности возможных ошибок декодирования сигналов телеуправления и контроля 50
2.5. К вопросу защиты каналов телеуправления и контроля нефте и газопроводов от несанкционированного доступа 57
Выводы 60
Глава 3. Реализационные основы кодека с исправлением оши бок по методу Рида-Соломона 61
3.1. Синтез алгоритмов работы кодека и разработка структуры устройства 61
3.2. Пакетирование информации в кодеках исправления ошибок в комплексах телеуправления 66
3.3. Разработка алгоритма инициализации кодека 73
3.4. Методика управления процессорами кодека 80
3.5. Пути реализации кодека 87
3.6. Эффективность комплекса телеуправления УМК - ТМ, оснащенного исправляющим ошибки кодеком Рида - Соломона 90
Выводы 94
Глава 4. Экспериментальные исследования кодека 96
4.1. Встроенный инструментарий для проверки оперативной готовности кодека 96
4.2. Модельное исследование предложенного алгоритма управления кодером Рида-Соломона 101
4.3. Экспериментальные исследования достоверности передачи
информации по каналам телеуправления 105
Выводы ПО
Заключение 111
Литература
- Комплексы телеуправления и контроля (КТК) нефте и газо проводами
- Разработка алгоритмов кодирования цифровых информационных блоков нерегулярной длины
- Синтез алгоритмов работы кодека и разработка структуры устройства
- Встроенный инструментарий для проверки оперативной готовности кодека
Введение к работе
Актуальность темы. Для систем телеуправления и контроля газо- и нефтепроводами, часто работающих в непосредственной близости от таких источников помех, как мощные энергетические установки различного назначения, задача обеспечения высокой достоверности передачи информации является особенно актуальной. В этом случае комплексы телеуправления, имеющие в своём составе каналы связи общей протяженностью в несколько тысяч километров, подвержены интенсивному влиянию помех различного происхождения, что приводит к росту погрешностей при передаче информации и является одной из причин возможных ошибок в управлении. В свою очередь ошибки управления становятся причинами возникновения чрезвычайных ситуаций.
Среди различных методов обеспечения высокой достоверности передачи информации положительно выделяются методы, основанные на использовании кодирования передаваемых сигналов кодами с исправлением ошибок. В случае их применения высокая достоверность передачи информации обеспечивается малозатратным способом и, что также важно с экономических позиций, имеется возможность легкой модернизации уже существующих комплексов телеуправления введением в их состав устройств кодирования информации на передающей и устройств декодирования на приёмной сторонах каналов телеуправления.
Применение кодирования управляющей информации дополнительно решает и вопросы обеспечения безопасности её передачи, затрудняя несанкционированный доступ к управлению комплексами, что повышает их защищенность и эффективность.
Известные работы в области теории передачи цифровой информации Шеннона К., Финка Л.М., Петровича Н.Т., Скляра Б., Варакина Л.Е., Борисова В.И., Феера К., Тузова Г.И., Зинчука В.М., Р. Хемминга, Е. Берлекемпа, Кловского Д.Д. и многих других показали высокую эффективность применения кодов, корректирующих ошибки и их практическую полезность.
Цель исследования - разработка кодека с исправлением ошибок для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине цифровых сообщений по каналам связи комплексов телеуправления газо - и нефтепроводами и исследование его эффективности.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Анализом методов помехоустойчивого кодирования и выбором вида кодирования и параметров кода, исправляющего ошибки.
-
Синтезом алгоритмов преобразования информационных потоков в кодере и декодере.
-
Обоснованием структуры кодека, исправляющего ошибки.
-
Теоретическим и экспериментальным исследованием вероятности ошибки на выходе кодека.
Методы исследования. В работе использованы положения теории информации и теории кодирования сигналов, методы теории вероятностей и математической статистики, аппарат математического анализа и методы теории эксперимента.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен метод адаптивного кодирования для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине информационных посылок по цифровым каналам телеуправления.
Получены аналитические выражения и исследована вероятность ошибок при применении разработанного кодека в каналах связи с переменными по длине сообщениями.
Предложены новые алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в следующем:
-
Разработанный кодек с исправлением ошибок обеспечивает исправление до 10 ошибочно принимаемых байт при нерегулярной длине информационных пакетов от 3 до 235 байт.
-
Применение разработанного кодека Рида-Соломона в комплексах телемеханики снижает вероятность ошибки от величины 10"3 до 10"8 и лучше.
-
Разработанный кодек позволяет применять его в комплексах телемеханики УНК ТМ без изменения программного обеспечения и аппаратуры связи, применяемых в комплексах,
-
Предложенный кодек может широко использоваться в различных системах телеуправления и передачи цифровой информации.
На защиту выносится:
Алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины.
Структурная схема кодека Рида — Соломона для систем телеуправления и контроля с последовательным опросом.
Аналитические выражения для оценки вероятности ошибок на выходе кодека.
Характеристики разработанного кодека, полученные теоретически и подтвержденные экспериментально при испытаниях кодека на измерительном стенде.
Личный вклад автора в получение результатов исследования состоит в следующем:
разработаны алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины;
обоснована структура кодека для комплексов телеуправления и контроля нефте- и газопроводами и принято активное участие в его реализации;
получены теоретические оценки вероятности ошибок на выходе декодера системы телеуправления с кодеком Рида-Соломона;
- проведены экспериментальные исследования и на их основании оценена
достоверность передачи телеметрической информации.
Публикации и апробация диссертационной работы
По материалам работы опубликовано 3 статьи и 10 тезисов докладов. Доклады сделаны на научно-технических конференциях:
-Региональном научно-техническом форуме "Будущее технической науки Нижегородского региона", г. Нижний Новгород, 2004 г.;
- 60-ой научной сессии, посвященной Дню Радио, г. Москва, 2005 г.;
-6-ой Международной научно-технической конференции "Перспективные
технологии в средствах передачи информации", Владимир, 2005 г.;
-Всероссийской конференции «Молодые ученые России», МИЭМ, г. Москва,
2005 г.;
-Международной научно-технической конференции «Intermatic — 2005», г.
Москва, 2005 г.;
-Всероссийской научно-технической конференции «Обработка сигналов в
системах связи и вещания», г. Нижний Новгород, 2006 г.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены автором при выполнении хоздоговорных работ. Разработанный кодек внедрен на предприятии ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова", г. Нижний Новгород и нашел практическое применение в комплексах телеуправления и контроля типа УНК ТМ, применяемых на газотранспортных предприятиях ОАО "Газпром". Результаты диссертационной работы внедрены также в учебный процесс во Владимирском государственном университете по курсу «Методы и устройства формирования сигналов». Соответствующие акты приведены в приложении к работе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 139 страниц, в том числе 115 стр. основного текста, 9 стр. списка литературы, 15 стр. приложения. Список литературы содержит 86 наименований.
Комплексы телеуправления и контроля (КТК) нефте и газо проводами
Комплексы телеуправления и контроля (КТК) нефте- и газопроводами представляют собой распределенные многопроцессорные инфор- г мационно-управляющие системы, использующие модульное построение аппаратных средств, стандартные интерфейсы и программное обеспечение, позволяющее оперативно адаптировать комплекс к объектам контроля и управления. КТК являются системами открытого типа, позволяющими расширять свои функциональные возможности за счет развития программного обеспечения, модульного аппаратного исполнения и наличия стандартных интерфейсов.
Объектами контроля и управления КТК являются различные технологические устройства трубопроводного транспорта: крановые узлы (площадки) на линейных участках и газопроводах отводах, на речных (дюкерных) переходах, на переходах через железнодорожные и автомобильные дороги; крановые узлы (площадки) и устройства измерения расхода газа на газораспределительных станциях, пунктах замера расхода газа, пунктах редуцирования газа; котельные, работающие на газообразном топливе; другие технологические объекты, имеющие унифицированные с КТК выходы.
В России существуют пять типов систем линейной телемеханики рекомендованных Газпромом к применению: Moscad, Магистраль-2, СТН-3000, SuperRTU и УНК ТМ. Одним из лидеров по производству телеметрического оборудования по заказам РАО «Газпром» является НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова. Разработанный в этом инсти туте комплекс телемеханики, названный УНК ТМ (унифицированный комплекс телемеханики), является одним из широко используемых на практике КТК. Дуплексный обмен информацией производится между пунктом управления (ПУ) и контролируемыми пунктами (КП) по независимым каналам связи. УНК ТМ обеспечивает обмен информацией между ПУ и КП по нескольким направлениям связи (от 1 до 4). Количество КП на одном направлении не превышает 125. УНК ТМ допускает использование до 4-х промежуточных пунктов управления (по одному на каждом направлении связи). У оборудования КП и ПУ имеются 2 канала интерфейса RS-232, которые обеспечивают возможность транзита информации для организации магистральных шин с использованием цифровых радиорелейных станций.
Программное обеспечение ЭВМ (резервируемой для повышения надежности) позволяет осуществлять непрерывный циклический опрос всех КП с целью определения на них недопустимых изменений контролируемых параметров. При этом с заданной периодичностью автоматически происходит сбор полного объема информации со всех КП.
По команде оператора в произвольный момент времени имеется возможность получить информацию по всем КП в полном объеме, по любому КП или группе КП, по однотипным параметрам телесигнализации и телеизмерения на любом КП или группе КП. В ПУ реализована также функция, позволяющая оператору исключать/включать из опроса отдельные параметры телесигнализации и телеизмерений, а также исключать/включать в опрос отдельные КП целиком в случаях выявленных отказов датчиков, что предотвращает загрузку канала связи явно недостоверной информацией.
Оперативный контроль технического состояния и работы аппаратуры УНК ТМ осуществляется диспетчерским персоналом с пункта управления (или системы АСУТП вышестоящего уровня) с помощью встроенных программно-аппаратных средств контроля. Аппаратура КП работает в автоматическом режиме без присутствия обслуживающего персонала.
Программное обеспечение ПУ позволяет осуществлять: автоматический сбор информации с КП; преобразование и обработку поступающей информации; формирование оперативной базы данных текущих значений контролируемых параметров; отображение на экране монитора текущей и ретроспективной информации о параметрах контролируемого процесса в виде мнемосхем, таблиц, графиков;
Разработка алгоритмов кодирования цифровых информационных блоков нерегулярной длины
В типовых системах телеуправления и контроля магистральных газопроводов базовый пункт управления осуществляет контроль над совокупностью контролируемых пунктов, периодически опрашивая через каналы связи состояние оборудования на этих пунктах и осуществляя соответствующее управление этим оборудованием в случае необходимости [28-31]. При этом, несмотря на периодический порядок опроса контролируемых пунктов, содержание сеанса обмена информацией с конкретным пунктом может меняться в значительных пределах, как по длительности, так и по составу передаваемой информации.
Максимальный эффект от применения корректирующего кодирования Рида - Соломона будет достигаться при этом в том случае, если кодирование информации производить в соответствии с меняющимися условиями сеансов связи. В этом случае параметры кода необходимо выбирать с учетом характеристик отдельных сообщений, то есть соответствующие кодеры и декодеры системы связи должны стать адаптивными к длине сообщения.
При разработке адаптивного кодека требуется учитывать два следующих фактора. Первый фактор заключается в том, что передаваемая информация в канале связи подвергается воздействию различных помех, которые вносят значительные [19-20] ошибки. Искажение же передаваемой телеметрической и управляющей информации ведет к принятию неправильных решений в управлении газопроводами, сопровождающихся экономическими убытками.
Второй фактор заключается в том, что число контролируемых пунктов на магистральных газопроводах может быть значительным, например для УНК ТМ на четырех направлениях может работать до 2 контролируемых пунктов [29]. При этом, поскольку опрос производится последовательно, временной интервал между двумя сеансами связи с конкретным контролируемым пунктом также может оказаться слишком большим для оперативного принятия решений. Запаздывание управления в этом случае тоже сопровождается экономическими потерями.
Таким образом, соотношение между информационными и проверочными символами кода с исправлением ошибок должно выбираться с учетом того, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточную помехоустойчивость передачи информации, а с другой стороны - не затягивать неоправданно длительность сеанса связи. Другими словами необходимо преодолеть компромисс при выборе количества проверочных байт. Чем их больше, тем выше исправляющая способность кода, но и время передачи сообщения затягивать не стоит.
Сигналы телеуправления и контроля нефте и газопроводов передаются в блочном формате. Это выступает естественной причиной использования блочного кодирования по Риду - Соломону, при котором каждое сообщение представляет собой один блок, а процессоры, выпускаемые ведущими фирмами-производителями позволяют обрабатывать сообщения до 255 байт. Обычное сообщение телеуправления составляет несколько десятков байт.
Поскольку длина к информационного сообщения системы телеуправления в зависимости от его содержания может меняться от сеанса к сеансу в значительных пределах, а параметры кода при блочном кодировании определяются соотношением между длиной блока (п байт) и количеством информационных символов в нем (к байт), то задача адаптивного кодирования заключается в соответствующем изменении длины п формируемого блока, путем прибавления к информационному сигналу к определенного количества проверочных байт 2/.
Кодеры/декодеры Рида - Соломона изготавливаются в виде специализированных процессоров некоторыми фирмами (например, фирмами Analog Devices и AHA). Изготавливаются и процессоры, предназначенные для блочного кодирования/декодирования цифровой информации, которые выпускаются в вариантах с инициализацией и не требуют дополнительного жесткого программирования на фирмах производителях.
Такие процессоры (например, фирмы AHA) могут менять параметры кодирования в соответствии с сигналами предварительной инициализации [32]. При этом вид сигнала инициализации зависит и от длины информационного сообщения к, и от величины необходимой для кодирования избыточности It.
Принцип работы адаптивного инициализатора можно реализовать исходя из условия, что длина информационного сообщения в системах телеуправления и контроля магистральных газопроводов в разных случаях может варьироваться от трех байт до нескольких десятков байт. При этом, как показывает практика, более вероятны короткие сообщения длиной не более 80 байт.
Поэтому максимальную величину длины информационного сообщения на передающей стороне можно разделить на несколько различных интервалов и, сопоставляя текущее информационное сообщение с определенным интервалом, добавлять к нему субблок, состоящий из проверочных байт, формируя таким образом передаваемый закодированный блок, содержащий вместе с информационным сообщением и проверочные байты.
Синтез алгоритмов работы кодека и разработка структуры устройства
С пульта управления на контрольные пункты отправляются запросы [28-31], представляющие собой команды и сигналы управления размером от 3 до 235 байт. В ответ на запрос контрольный пункт посылает на пульт управления сигналы телеметрии, размеры которых могут варьироваться также от 3 до 235 байт. Исходя из того, что размеры запросов с ПУ и ответов с КП одинаковы, то и структурные схемы кодеков ПУ и КП тоже не различаются.
При работе с информационными блоками различной длительности в целях повышения эффективности работы кодека алгоритм кодирования и декодирования информационных сообщений должен быть адаптивным и выбирать величину вносимой в сообщение избыточности в соответствии с размерами кодируемого информационного блока. Поэтому алгоритм работы кодека можно предложить состоящим из следующих операций: 1. Определения длины информационного сообщения к; 2. Вычисление требуемых для данного сообщения сигналов инициализации процессора; 3. Задержка блока информационного сообщения на время, необходимое для расчетов сигналов инициализации и саму инициализацию процессора; 4. Инициализация процессора с выбором параметров кода Рида - Соломона согласно табл. 1. 5. Подготовка кодека к работе со следующим информационным блоком другой длительности.
На рис. 21. показано подключение кодеков Рида-Соломона в пункте управления между управляющей ПЭВМ и модемом и на контрольных пунктах между контроллером КП и модемом [83].
Устройство кодирования работает следующим образом. Информационный поток, из ПЭВМ после блока переключения пункта управления (рис. 21) поступает на контроллер, который преобразует асинхронный последовательный информационный поток в параллельный. Далее через
Z-буфер информационный поток подается на устройство кодирования. В качестве устройства кодирования выберем процессор, реализуемый на микросхеме фирмы AHA, позволяющей сменой сигналов инициализации менять основные параметры (п, к) кодируемого информационного блока.
Микропроцессоры AHA работают с байтовыми комбинациями сигнала [32], поступающими в параллельном коде, поэтому потребуются устройства преобразования последовательного цифрового потока в параллельный и обратно. По основным техническим и экономическим условиям (по скорости работы, надежности и по цене), для выполнения задач телеуправления и контроля подходит микропроцессор АНА401ІС Он обеспечивает скорость обработки данных до 10 Мбайт/с при кодировании и декодировании по методу Рида-Соломона, имеет восьмиразрядные шины данных на входе и выходе и работает с тактовыми частотами до 40 МГц.
Наличие Z-буфера с тремя состояниями в предлагаемых схемах обусловлено спецификой процессора АНА401ІС, который нуждается в программировании при каждом новом запуске кодека. Закодированный информационный поток с выхода процессора AHA через контроллер, преобразующий его в протокол RS-232, поступает в модем. Блок управления (БУ) обеспечивает программирование и управление микросхемой АНА4011с и контроллерами RS-232.
Структурная схема декодера на контрольном пункте идентична кодеру пункта управления [38,39], поскольку операции кодирования и декодирования для кода Рида-Соломона практически идентичны [9,10]. Различия между кодером пункта управления и декодером контрольных пунктов заключаются только в структуре управляющих сигналов БУ.
На рис. 23 приведена структурная схема кодера пункта управления. Так как блоки информации поступающей с контролируемого пунк та имеют разную длину, то кодер КП содержит память типа FIFO (First Input First Output) и блок управления памятью (БУП).
Преобразованный информационный поток с контроллера RS-232 записывается в блок FIFO. При отсутствии на выходе контролера очередного байта в течение некоторого времени принимается решение об окончании блока.
Встроенный инструментарий для проверки оперативной готовности кодека
Для проверки работоспособности кодера/декодера используем программу, зашиваемую в ПЛИС совместно с основным алгоритмом работы. Алгоритм работы такой программы можно предложить следующий: - При проверке формируется последовательность групп с различным количеством байт. - Каждый байт содержит один и тот же код, который вводится в ПЛИС до начала проверки. - Код состоит из восьми бит, нулевые или единичные значения которых выбираются в любых сочетаниях заранее. - На основе протокола обмена RS-232 к байту добавляются старт-бит и стоп-бит, а также предусматривается защитный интервал между байтами размером от 1 до 6 тактовых интервалов. - Далее программа формирует поток из N одинаковых последовательно передаваемых байт со старт/стоп битами и защитными интервалами, формирующий соответствующую группу. - При анализе работоспособности устройства особое значение имеет проверка его способности адаптироваться к изменению параметров потока. Для этого используем переменное число байт в группе и сформируем, таким образом, комплекс из групп переменной длины. - Каждая группа в комплексе отделяется от соседней группы определенным интервалом из К тактов. Количество тактов К устанавливается до начала проверки и может быть различным. - Длина блока от одной группы к другой возрастает по линейному закону, увеличиваясь от N0 до Nmax байт. С целью перебора всех возможных значений, количество байт в каждой последующей группе возрастает на единицу. - Параметры No и Nmax устанавливаются по желанию. - Запуск комплекса производится пусковым импульсом. - После выработки всех групп программа информирует о завершении работы.
Структурно-функциональная схема программы представлена на рис. 39. Программа работает следующим образом. После передачи пускового импульса триггер RS1 переключается из режима ожидания в рабочий режим. Этот же пусковой импульс обнулит счетчики 1, 2 и 4 и в счетчик 3 запишет число No. В сдвиговый регистр при этом так же заносится код, моделирующий передаваемую информацию.
RSI также открывает ключ, пропускающие тактовые импульсы в схему. В результате, в соответствии с тактовыми импульсами в счетчике 1, начинается счет импульсов и одновременно в сдвиговом регистре осуществляется сдвиг содержимого его ячеек. В первой ячейке располагается значение старт-бита, далее 8 ячеек содержат код, имитирующий передаваемую информацию, в 10-й ячейке содержится значение стоп-бита, последующие ячейки заполнены нулями.
Выход сдвигового регистра подключен к выходу программы. Таким образом, на выход подается полностью сформированный байт, согласно протоколу RS-232.
После одиннадцати тактов счетчик 1 сбрасывается в исходное состояние и одновременно в регистр вновь параллельно заводится код. При этом на долю защитного интервала отводится один такт.
В случае, если в защитном интервале должно содержаться большее количество тактов, счетчик 1 должен сбрасываться, достигая числа m=10+n, где n-требуемое количество защитных тактов. Это число достигается перепрограммированием комбинационной логической схемы счетчика 1.
По завершению передачи байта счетчик 1 вырабатывает импульс, поступающий на счетчик 2. Таким образом, после передачи каждого байта число в счетчике 2 возрастает на единицу. Текущее содержимое счетчика 2 сравнивается в компараторе 1 с содержимым счетчика 3.
Счетчик 3 в каждый момент содержит информацию о необходимом количестве байт, которое должна содержать текущая группа. Когда содержимое счетчиков 2 и 3 станет одинаковым, компаратор 1 вырабатывает сигнал, свидетельствующий о том, что передача данной группы завершена. После этого счетчик 2 обнуляется, а содержимое счетчика 3 увеличивается на единицу. В результате этого, длительность последующей группы будет увеличена также на один байт. Таким образом, дли тельность вырабатываемых групп байтов будет линейно возрастать от начального значения No до Nmax.
После окончания выработки очередной группы, сигналом компаратора 1 переключается триггер RS2 из состояния «группы» в состояние «интервал». При этом выработка групп приостанавливается и одновременно начинается счет тактовых импульсов в счетчике 4. При этом его текущее содержимое в компараторе 2 сравнивается с числом К. Когда счетчик 4 досчитает до этого значения, компаратор 2 вновь переведет триггер RS2 в состояние «группы», одновременно обнуляя счетчик 4.
Триггер RS2 вновь запускает работу счетчика 1 и сдвигающего регистра и начинается процесс формирования следующей группы.
Параллельно всем описываемым процессам постоянно производится сравнение содержимого счетчика 3 с числом Nmax в компараторе 3. Если они станут одинаковыми, это означает, что выработана последняя группа максимальной длины.
Компаратор 3 при этом вырабатывает сигнал, переключающий триггер RS1 из режима работы в режим ожидания. Это является указанием на завершение выработки всего комплекса байт и готовности программы к повторению всего процесса проверки.
