Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей информационного обмена в сети АСУ общего назначения и задача нахождения требуемой скоро сти передачи в ее каналах 12
1.1. Анализ структуры информационной сети АСУ общего назначения 12
1.2. Анализ структуры и протоколов доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения 19
1.3. Постановка задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения и направления ее решения 23
Выводы по первому разделу 30
2. Математическое моделирование процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов 32
2.1. Марковская модель доведения сообщения для варианта двухполюсной базовой информационной сети АСУ 32
2.2. Марковская модель доведения сообщения для вариантов многополюсных базовых информационных сетей АСУ 36
2.2.1. Вариант базовой сети АСУ для нормы управляемости, равной двум 37
2.2.2. Вариант базовой сети АСУ для нормы управляемости, равной трем 41
2.3. Алгоритм автоматизированного синтеза МПВ ПКМЦ для произвольного числа ЗУ базового сегмента информационной сети АСУ 46
2.4. Особенности моделирования процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ при разной
длине сообщения и квитанции 55
Выводы по второму разделу 60
3. Обоснование требований по скорости передачи к каналам многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения 61
3.1. Исследование ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения 61
3.2. Решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения 76
3.3. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения 84
Выводы по третьему разделу 88
Заключение 90
Список использованных источников 96
Приложение. Программа расчета ВВХ доведения сообщения в базовом сегменте сети передачи данных с протоколом HDLC
- Анализ структуры и протоколов доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения
- Марковская модель доведения сообщения для вариантов многополюсных базовых информационных сетей АСУ
- Алгоритм автоматизированного синтеза МПВ ПКМЦ для произвольного числа ЗУ базового сегмента информационной сети АСУ
- Решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения
Введение к работе
Актуальності»,- Современный этап научно-технического прогресса характеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководителю производства и необходимой для принятия обоснованного управленческого решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий и прогрессивных математических моделей управления. Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации и системе в целом. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств.
АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект - АСУ общего назначения (АСУ ОН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез се информационной сети. Отметим, что в АСУ Oil имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с другом и иерархической зависимости и связанные информационной сетью. При этом, как правило, имеются: верхнее звено управления (ВЗУ), средние ЗУ (СЗУ), нижние ЗУ (ПЗУ) и исполнительные ЗУ (ИЗУ). Как правило, в АСУ ОН нее ЗУ являются подвижными объектами (ПО).
Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ОН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления. При этом показателем оперативности управления всех ЗУ в АСУ ОН ПО являются вероятностно-временные характеристики (ВВХ) доведения управляющих сообщений «сверху вниз».
Основу информационной сети для АСУ ОН территориально распределенных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на базе подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также KB связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ОН ПО является система радиосвязи метрового диапазона, которая базируется на различных приемо-передающих комплексах (ППК). Особенностью функционирования данных ППК в рамках информационной сети АСУ ОН ПО является формирование ими, так называемых, комбинированных радиосетей, когда передача «вниз-многим» ЗУ осуществляется в радиосети, а «вверх-от всех» ЗУ - в радионаправлениях.
Данные ППК должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть АСУ ОН, вторичную сеть оперативного речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпыотерного обмена (МКО). Кроме того, данные каналоформи-
рующие системы должны решать задачу резервирования проводных каналов связи в зоне размещения ПО. Основными типами связей, формируемыми при этом, являются соединения типа «точка-точка». Подчеркнем, что трафик информационной сети АСУ ОН обладает наивысшим приоритетом, речевой график - средним приоритетом и трафик МКО - низшим приоритетом. Огметим также, что информационная сеть АСУ ОН строится на основе выделенных (закрепленных) каналов первичной сети, а сети речевого графика и МКО строятся на основе незакрепленных каналов, выделяемых по требованию.
Основным принципом построения указанных ПИК различного типа, формирующих первичную сеть, является применение разделяемых во времени цифровых потоков. При этом цифровой поток представляет собой временной кадр, разделенный на некоторое число временных окон, каждое из которых представляет собой единичный канал связи с наименьшей пропускной способностью (например, 1200 бит/с). Реализация функций временного каналообразования и коммутации в ППК (узлах сети) обеспечивает гибкое перераспределение общего коммуникационного ресурса первичной сети между вторичными сетями (АСУ, речь и МКО). Кроме того, такой подход достаточно просто позволяет реализовать рокадные направления в первичной сети связи.
Вопросам построения сетей с коммутацией пакетов большое внимание уделено в школах таких ученых как Якубайтис Э.А., Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Бутрименко А.И., Глушков В.М., Мизин И.А., Самойленко СИ., Оли-фер В.Г., Присяжшок СП., Цимбал В.А., Шиманов СИ., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д. и другие. Однако вопрос обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах сети АСУ ОН для условий выполнения заданных ВВХ доставки сообщений является открытым.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, необходимость обеспечения требуемых ВВХ доведения сообщений в информационной сети АСУ ОН требует увеличения скорости передачи в ее каналах, с другой стороны, предоставляемый коммуникационный ресурс первичной сети АСУ ОН ограничен потенциальными возможностями канало-формирующих ППК и потребностями вторичных сетей низшего приоритета. Разрешение этого противоречия заключается г> разработке программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доведения сообщений.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Обоснование требуемой скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения».
Цель диссертационных исследований - обоснование требований по скорости передачи к каналам многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.
Объект исследования - информационная сеть АСУ ОН.
Предмет исследования - научно-методический аппарат обоснования
требуемой скорости передачи в каналах сети с коммутацией пакетов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена научная задача разработки программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи.
Основные результаты, представляемые к защите
Математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов.
Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.
Научная новизна полученных результатов
Математическая модель процесса доведения сообщения п базовом сегменте информационной сети АСУ ОН впервые учитывает разную длину сообщения и квитанции и конечную готовность каналов.
Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН, в отличие от известных, снимает проблему размерности уровней иерархии сети.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории поглощающих конечных марковских цепей (ПКМЦ), теории оптимизации, согласованностью полученных результатов расчета с физикой процесса доведения сообщения в иерархической сети с протоколом типа HDLC.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований обусловлена тем, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации задавать в формируемой информационной сети корректные (минимально достаточные) значения скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения. Использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ общего назначения позволит, как минимум, на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при оценке временных и вероятностно-временных характеристик доставки сообщений в иерархических сетях с каналами разной пропускной способности и качества, а также в вузах при изучении соответствующих учебных дисциплин.
Результаты работы реализованы:
1. В ЗАО «НИВЦ АС» в виде математической модели процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности
каналов в рамках ОКР «Отлучка» (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 12.03.2009 г.);
В в.ч. 08310 при обосновании ТЗ на ОКР «Бутон» в части обоснования требований по скорости передачи к 1111К метрового диапазона в интересах информационной сети АСУ общего назначения (акт о реализации в.ч. 08310 от 07.04.2009 г.);
В Серпуховском военном институте ракетных войск в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (акт о реализации СВИ РВ от 22.04.2009 г.).
Апробации работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: трех Сессиях Российского НТОРЭС им А.С. Попова; семи НТК различного уровня. Работа выполнена лично автором и является результатом исследований, в которых автор принимал непосредственное участие в течение последних 7 лет. За это время непосредственно по теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе: 15 научных статей (пять статей в журнале из Перечня ВАК), тезисы 6-й докладов на НТК, 4 отчёт о НИР и 1 отчет об ОКР. Получены два патента на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложения, изложена па 118 страницах машинописного текста. В список литературы внесено 107 научных источников.
Анализ структуры и протоколов доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения
Современная мировая экономика, производство, оборонная отрасль и соответствующая им инфраструктура способны эффективно функционировать только при наличии эффективного управления ими. Такое управление реализуется в рамках автоматизированной системы управления (АСУ). В настоящее время в Российской Федерации существует множество АСУ различного назначения. К ним относятся, например, АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», «РЖД», АСУ «Выборы», АСУ МЧС, АСУ силовых министерств и ведомств и другие. Вопросам построения и функционирования таких АСУ посвящено много работ, в которых раскрываются вопросы анализа и синтеза структур, алгоритмов и процедур действия различных подсистем АСУ [1, 23, 40, 57, 85].
Одним из важных классов рассматриваемых АСУ являются АСУ террито-риально-распределенными подвижными объектами (ПО). К ним относятся АСУ МЧС, АСУ воздушного, морского и сухопутного транспорта, АСУ военного назначения и другие [74, 75]. Для инвариантности рассмотрения таких АСУ к конкретной предметной области впредь их будем называть АСУ общего назначения (АСУ ОН). Анализ структур АСУ ОН ПО позволил выявить их следующие особенности [43, 75]: структура АСУ ПО является иерархической и радиально-узловой; число уровней иерархии - не более трех; предусматривается возможность взятия управления звеном управления (ЗУ) на ступень выше штатной.
Данные особенности позволили выделить обобщенную структуру АСУ ОН ПО, которую в рамках данного исследования будем называть типовой [71, 72], обобщенный вид которой представлен на рисунке 1.1.
Одной из главных подсистем таких АСУ является их информационная сеть связи, которая вследствие подвижности абонентов является сетью мобильной связи. Как показывает анализ, наиболее востребованным диапазоном частот для построения информационных сетей АСУ ПО является метровый диапазон волн. Это обусловлено более высокой его пропускной способностью по отношению к диапазону декаметровых волн. При этом достигаемые скорости передачи информации лежат в пределах 1,2-16 кбит/с и более.
В общем случае сеть АСУ ПО является совокупностью [40, 85]: ЗУ с размещенными на них комплексами технических средств, оконечных пунктов (в том числе и абонентских), содержащих аппаратуру ввода, вывода, хранения и обработки информации и коммутационных пунктов (центров коммутаций), обеспечивающих распределение сообщений по сети; первичной сети (сети электросвязи), используемой для доставки сообщений по АСУ; вторичной сети (сети передачи данных), создаваемой на базе сети электросвязи с помощью аппаратуры передачи данных звеньев управления и центров коммутации; системы управления сетью, реализующей управление потоками сообщений в сети и включающей как техническое, математическое и другие виды обеспечения, так и коллективы обслуживающего персонала.
Среди этих составляющих особое место занимает первичная сеть в силу того, что именно она составляет основу - базу сети АСУ, предоставляет те или другие каналы связи, которые в значительной мере и определяют качество информационного обмена в сети АСУ в целом [53].
Важным фактором, влияющим на качество обмена сообщениями в информационной сети, является алгоритм ее функционирования и в частности, реализованный в ней метод информационной коммутации. В современных информационных сетях АСУ используются такие методы коммутации при доставке информации [34, 63, 66]: коммутация сообщений; коммутация пакетов; коммутация каналов.
Типовая АСУ ПО использует метод коммутации пакетов, при этом передача коротких сообщений контуров управления АСУ осуществляется по версии дейтаграмм, а доставка служебных сообщений большой длины осуществляется по принципу виртуальных соединений [75].
Методической базой построения процедур информационного обмена между абонентами информационной сети типовой АСУ ПО является эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). Транспорт сообщений в такой сети осуществляется на основе стека протоколов физического, канального, сетевого и транспортного уровней ЭМВОС. Ввиду того, что используемые в информационной сети каналы связи могут быть невысокого качества по вероятности ошибки на элементарный символ, наиболее востребованным протоколом канального уровня в такой сети является бит-ориентированная процедура LAP-B (HDLC), определяемая известным протоколом Х.25. Сетевой уровень при этом, как правило, реализуется протоколом Х.21, а транспортный уровень реализуется TCP подобным протоколом с процедурой «скользящее окно». Физический уро- вень может быть реализован на любых известных протоколах, при этом, как правило, используется одно-, двух- и многократная фазовая манипуляция, осуществляемая методом квадратурной модуляции [10, 19, 38].
Анализ особенностей технологии обмена в сети типовой АСУ ПО на основе описанного стека протоколов привел к следующему [72, 73]:
1.Большое число используемых каналов связи, выражаемое полосой частот, выделенной для обеспечения информационного обмена между ЗУ АСУ ПО. Так требуемое число односторонних каналов для типовой структуры АСУ, представленной на рисунке 1.2, равноСовременная мировая экономика, производство, оборонная отрасль и соответствующая им инфраструктура способны эффективно функционировать только при наличии эффективного управления ими. Такое управление реализуется в рамках автоматизированной системы управления (АСУ). В настоящее время в Российской Федерации существует множество АСУ различного назначения. К ним относятся, например, АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», «РЖД», АСУ «Выборы», АСУ МЧС, АСУ силовых министерств и ведомств и другие. Вопросам построения и функционирования таких АСУ посвящено много работ, в которых раскрываются вопросы анализа и синтеза структур, алгоритмов и процедур действия различных подсистем АСУ [1, 23, 40, 57, 85].
Одним из важных классов рассматриваемых АСУ являются АСУ террито-риально-распределенными подвижными объектами (ПО). К ним относятся АСУ МЧС, АСУ воздушного, морского и сухопутного транспорта, АСУ военного назначения и другие [74, 75]. Для инвариантности рассмотрения таких АСУ к конкретной предметной области впредь их будем называть АСУ общего назначения (АСУ ОН). Анализ структур АСУ ОН ПО позволил выявить их следующие особенности [43, 75]: структура АСУ ПО является иерархической и радиально-узловой; число уровней иерархии - не более трех; предусматривается возможность взятия управления звеном управления (ЗУ) на ступень выше штатной.
Данные особенности позволили выделить обобщенную структуру АСУ ОН ПО, которую в рамках данного исследования будем называть типовой [71, 72], обобщенный вид которой представлен на рисунке 1.1. Верхнее ЗУ
Одной из главных подсистем таких АСУ является их информационная сеть связи, которая вследствие подвижности абонентов является сетью мобильной связи. Как показывает анализ, наиболее востребованным диапазоном частот для построения информационных сетей АСУ ПО является метровый диапазон волн. Это обусловлено более высокой его пропускной способностью по отношению к диапазону декаметровых волн. При этом достигаемые скорости передачи информации лежат в пределах 1,2-16 кбит/с и более. В общем случае сеть АСУ ПО является совокупностью [40, 85]: ЗУ с размещенными на них комплексами технических средств, оконечных пунктов (в том числе и абонентских), содержащих аппаратуру ввода, вывода, хранения и обработки информации и коммутационных пунктов (центров коммутаций), обеспечивающих распределение сообщений по сети; первичной сети (сети электросвязи), используемой для доставки сообщений по АСУ; вторичной сети (сети передачи данных), создаваемой на базе сети электросвязи с помощью аппаратуры передачи данных звеньев управления и центров коммутации; системы управления сетью, реализующей управление потоками сообщений в сети и включающей как техническое, математическое и другие виды обеспечения, так и коллективы обслуживающего персонала. Среди этих составляющих особое место занимает первичная сеть в силу того, что именно она составляет основу - базу сети АСУ, предоставляет те или другие каналы связи, которые в значительной мере и определяют качество информационного обмена в сети АСУ в целом [53].
Важным фактором, влияющим на качество обмена сообщениями в информационной сети, является алгоритм ее функционирования и в частности, реализованный в ней метод информационной коммутации. В современных информационных сетях АСУ используются такие методы коммутации при доставке информации [34, 63, 66]: коммутация сообщений; коммутация пакетов; коммутация каналов. Типовая АСУ ПО использует метод коммутации пакетов, при этом передача коротких сообщений контуров управления АСУ осуществляется по версии дейтаграмм, а доставка служебных сообщений большой длины осуществляется по принципу виртуальных соединений [75].
Методической базой построения процедур информационного обмена между абонентами информационной сети типовой АСУ ПО является эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). Транспорт сообщений в такой сети осуществляется на основе стека протоколов физического, канального, сетевого и транспортного уровней ЭМВОС. Ввиду того, что используемые в информационной сети каналы связи могут быть невысокого качества по вероятности ошибки на элементарный символ, наиболее востребованным протоколом канального уровня в такой сети является бит-ориентированная процедура LAP-B (HDLC), определяемая известным протоколом Х.25. Сетевой уровень при этом, как правило, реализуется протоколом Х.21, а транспортный уровень реализуется TCP подобным протоколом с процедурой «скользящее окно». Физический уро 16
вень может быть реализован на любых известных протоколах, при этом, как правило, используется одно-, двух- и многократная фазовая манипуляция, осуществляемая методом квадратурной модуляции [10, 19, 38].
Анализ особенностей технологии обмена в сети типовой АСУ ПО на основе описанного стека протоколов привел к следующему [72, 73]:
1.Большое число используемых каналов связи, выражаемое полосой частот, выделенной для обеспечения информационного обмена между ЗУ АСУ ПО. Так требуемое число односторонних каналов для типовой структуры АСУ, представленной на рисунке 1.2, равно
Марковская модель доведения сообщения для вариантов многополюсных базовых информационных сетей АСУ
Анализ рассмотренных вариантов базовых сегментов информационной сети показывает, что с увеличением числа ЗУ АСУ ОН любой последующий граф переходов ПКМЦ поглощает предыдущий. Кроме того, существует ряд закономерностей, позволяющих машинным способом найти все элементы МПВ [48, 53]. В качестве примера для иллюстрации этих закономерностей рассмотрим вариант с нормой управляемости равной пяти. Граф переходов ПКМЦ для этого случая имеет вид, представленный на рисунке 2.66.
Определение 2.1 Ряд - совокупность состояний графа ПКМЦ, находящихся на одной горизонтальной линии.
Номера состояний графа и их взаимосвязи отображаются переходными вероятностями, а последние, в свою очередь, определяются своими индексами. Исходя из изложенного, задача нахождения (синтеза) элементов матрицы переходных вероятностей выливается в задачу нахождения соответствующих им индексов.
Прежде всего, отметим, что при наличии в сети N ЗУ количество состояний графа переходов равно: N+1 (N + l)(N + 2) .„„„ п= X к = - - -. (2.47) к=1 2 При этом, если номер первого состояния 0, то номер последнего (поглощающего) равен [(N+l)(N+2)/2-l].
Введем параметры і и j и выразим через них текущие номера состояний к графа переходов. Параметр j показывает номер ряда, в котором находится состояние Sk, а параметр і пробегает все значения от 0 до (N-j). Анализ графа на рисунке 2.66 показывает, что: 1) для состояний первого ряда (K=0,1,2,...,2N-1) с четными номерами K=2i, (0 i N-l); с нечетными номерами К = 2i+l, (0 і N-1); 4); 2) для состояний второго ряда К = 2N+i, (0 і N-2); 3) для состояний третьего ряда К = 2N+(N-l)+i = 3N-1-H, (0 і N-4); 4) для состояний четвертого ряда К = 3N-l+(N-2)+i = 4N-3-H, (0 і N 5) в общем случае для ряда с номером j номер состояния К равен
Используя формулу для суммы конечной арифметической прогрессии, получим, что для ряда с номером j номер состояния будет определяться так: К = 2N + (2N-J+1) 0-2) / 2 + і, (0 і N-j). (2.48) Рассмотрим все переходы ПКМЦ из состояний, стоящих в первом ряду, 0 i N-l. Состояния с нечетными номерами K=2i+1 соответствуют выдаче квитанций ЗУ-получателями сообщений. Переходы из этих состояний вправо в состояния, номер которых на 1 больше К=2(і+1), осуществляются с вероятностью Р2І+І,2(І+І) = ЧКВ, а переходы влево, в состояния, номер которых на один
МеНЬШе К=2І, ОСуЩеСТВЛЯеТСЯ С ВерОЯТНОСТЬЮ P2i+I,2i= Чкв Заметим, что при i=N-l переход из состояния с номером K=2N-1 вправо осуществляется также с вероятностью ркв в поглощающее состояние с номером К = [(N+l)(N+2)/2-l], т.е. При 0 І N-l Р2І+І.2І = Чкв, при 0 i N-l р2і+і,2(і-н)=Ркв, Г (2.49) При i=N-l P2N-1, (N+l)(N+2)/2-l= Ркв- _, Переходы ПКМЦ из состояний с четными номерами K=2i, стоящих в первом ряду, соответствующие передаче сообщений ЗУ-отправителями, в состояния с теми же номерами осуществляется с вероятностью Рад Чс, (2.50) так как эти переходы означают, что сообщение не дошло ни до одного из (N-i) адресатов.
Переходы из состояния с четными номерами K=2i вправо, в состояния, номер которых на один больше К=2і+1, означают, что сообщения, адресованные (N-i) ЗУ дошло только до одного ЗУ. Вероятности этих переходов равны
Переходы из состояний с четными номерами первого ряда в состояния ряда с номером j, (j 2) означают, что сообщения, адресованные (N-1) ЗУ дошли до j получателей этого сообщения. Вероятности таких переходов вычисляются по формуле: если 2 j NnO i N-j, то P2i, 2N+(2N-j+I)G-2)/2+I = CVi PcJ qc "-J, (2.52) Рассмотрим теперь переходы ПКМЦ из состояний, стоящих в ряду с номером j, (2 j N). Эти состояния соответствуют процессу передачи квитанций j ЗУ-получателей, до которых сообщение было доведено. При этом из j квитанций до ЗУ-отправителей может дойти 1 квитанций, где 1 = 0,1,2,...,j и вероятности этих событий, очевидно, равны Cj1 ркп1 qKnyl.
Обратим внимание на то, что переходы из состояний любого ряда с номером j осуществляются в состояния первого ряда с четными номерами K=2(i+1), где 0 і N-j; 0 1 j. Заметим также, что если одновременно i=N-j и l=j, то ПКМЦ из последнего состояния любого ряда переходит в поглощающее состояние с номером К = (N+1 )(N+2)/2-1.
Алгоритм автоматизированного синтеза МПВ ПКМЦ для произвольного числа ЗУ базового сегмента информационной сети АСУ
Процесс информационного обмена в сети АСУ ОН является случайным процессом с дискретными состояниями и дискретным временем, т.к. состояния процесса изменяются в определенные моменты времени, а именно: при очередном повторе пакета или передаче квитанции о том, что пакет принят. Такие, с дискретными состояниями и временем, процессы хорошо описываются аппаратом КМЦ.
Классическая теория КМЦ при нахождении ВВХ доведения сообщений по УКЧ предполагает, что шаги переходов в графе КМЦ есть величины одинаковые. В таких предположениях переход от числа шагов к реальному времени обеспечивается простым перемножением искомого числа на длительность шага.
Однако приведенные в разделе 2 графы КМЦ, описывающие процесс доведения сообщений до нескольких абонентов, имеют множество различных по длительности шагов переходов. Чтобы осуществить корректный переход от числа шагов к реальному времени при анализе ВВХ, введем аналогично МПВ матрицу шагов перехода (МШП). Для варианта доведения сообщения до трех абонентов МШП будет иметь вид, аналогичный выражению (2.21).
При этом Ту?Ю означает, что в КМЦ возможен переход из і-го состояния в j-oe с длительностью (шагом) Ту и ненулевой вероятностью ру, а ту=оо означает, что в КМЦ невозможен переход из і-го состояния в j-oe, так как Pij=0.
При доведении сообщения до нескольких абонентов в ПКМЦ присутствуют переходы с различным шагом.
Действительно, физика процесса доведения такого сообщения показывает, что может быть доведение до некоторого числа абонентов с шагом tc. Кроме того, существует шаг доведения квитанции tKB. Также существуют не 56 нулевые шаги переходов которые равны tc+tKB. И, наконец, существует шаг перехода из поглощающего состояния в поглощающее, длительность которого может быть равна длительности любого тайм-аута (обозначим ее величиной z).
Порядок нахождения ВВХ таков: 1) вначале вычислить вероятности доведения и недоведения пакета и квитанции (рс, qc рт, qKg). Используя найденные вероятности и алгоритм синтеза МПВ, приведенный в п.2.1.3; 2) сформировать матрицу Р переходных вероятностей ПКМЦ; 3) по сформированной МПВ сформировать МШП; 4) затем для полученной КМЦ пошагово решать уравнение Колмогорова-Чепмена (выражение (2.1)); 5) на каждом шаге решения уравнения Колмогорова-Чепмена по формулам (2.65) - (2.67) находить \; 6) при достижении выполнения условия Рдов(М9тп т,) Р д строим график зависимости вероятности доведения сообщения до нескольких абонентов от времени доставки сообщения на каждом шаге F(x) = Pdoe(rl).
Отметим, что приведенный порядок расчета ВВХ по УКЧ при разной длине шага перехода применим и для случая ПКМЦ с фиктивными состояниями. При этом в МШП будут только два типа переходов: tc и tKB. Приведем для примера МШП для варианта базовой информационной сети с нормой управляемости три.
Синтез элементов МШП однозначно определяется правилами синтеза элементов МПВ. При этом правила П1-ПЗ, П6 и П7 синтеза элементов МПВ синтезируют элементы МШП с шагом tKB, а правила П4 и П5 - элементы МШП с шагом tc. Нулевым элементам МПВ соответствуют элементы МШП, равные бесконечности - оо. Физически это означает, что соответствующий переход является невозможным и поэтому имеет бесконечно большой шаг перехода. Шаг перехода из поглощающего состояния ПКМЦ само в себя может осуществляться с произвольным шагом z. При расчетах данная величина принимается равной длительности тайм-аута, т.е. tc + tKB.
Таким образом, разработана математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН при разной длине сообщения и квитанции. На основе данной модели можно найти требуемое число повторов передаваемого сообщения в базовом сегменте сети любого уровня иерархии, обеспечивающее доведение сообщения с требуемой вероятностью. Выводы по второму разделу
Моделирование процесса доставки сообщений в базовой информационной сети АСУ ОН ПО на основе ПКМЦ позволили сделать следующие выводы.
1. При норме управления, равной трем, информационная сеть АСУ ОН ПО может иметь базовые сегменты сети в вариантах «один-один», «один-два», «один-три», «один-четыре» и «один-пять».
2. Процесс доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН ПО имеет дискретное время, конечное число состояний и в нем соблюдается марковское свойство. Именно поэтому наиболее приемлемым математическим аппаратом для описания исследуемого процесса доставки сообщений являются поглощающие конечные марковские цепи. При этом искомые ВВХ находятся в ходе пошагового решения уравнения Колмогорова-Чепмена.
3. Разработаны правила автоматизированного синтеза элементов матрицы переходных вероятностей ПКМЦ, которые снимают проблему размерности базового сегмента информационной сети АСУ ОН ПО и, кроме того, учитывают конечную готовность направлений связи.
4. Решен вопрос с некорректным использованием разных шагов перехода в ПКМЦ, описывающих процесс доставки сообщений в базовой информационной сети АСУ ОН ПО, за счет введения в ПКМЦ фиктивных состояний.
5. Разработаны правила автоматизированного построения матрицы шагов переходов, снимающие проблему размерности базового сегмента информационной сети Исследование ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН
Одной из подзадач настоящего диссертационного исследования является нахождение требуемого числа повторов сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН на каждом уровне иерархии, обеспечивающего требуемую вероятность доведения. Данную подзадачу будем решать на основе математической модели доставки сообщений до произвольного числа ЗУ по протоколу HDLC в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН с учетом разной длины сообщения и квитанции, а также конечной готовности направлений связи.
ВВХ доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН будем находить по УКЧ (2.1), при этом основой УКЧ является МПВ. Формирование МПВ будем осуществлять по правилам (2.58)-(2.60). Для автоматизации процесса исследования искомых ВВХ (нахождения требуемого числа повторов) при произвольной размерности базового сегмента сети необходимо разработать алгоритм автоматизированного синтеза МПВ. Такой алгоритм представлен на рисунке 3.1. Данный алгоритм реализован в виде компьютерной программы, составленной на языке программирования DELPHI версии 7.0 и представленной в приложении.
Решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения
Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения. В результате исследований, проведенных в работе, выявлено, показано, доказано и разработано следующее: необходимость всестороннего оперативного управления территориально распределенными ПО требует наличия между ЗУ трех информационных подсетей: информационной сети АСУ, сети ОРУ и сети МКО. При этом ЗУ АСУ ОН связаны между собой в рамках информационной сети закрепленными (выделенными) каналами, сети ОРУ и МКО допускают работу как по выделенным, так и по незакрепленным (предоставляемых по требованию) каналам; указанные информационные подсети являются вторичными и базируются на первичной информационной сети. Существующая информационная сеть строится на основе морально и физически устаревших ППК метрового диапазона «Бант» и «Бант-М». Пропускная способность существующей такой информационной сети АСУ ОН ПО составляет 1200 бит/с, что является недостаточным для обеспечения заданных требований по ВВХ доставки сообщений; в настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых ППК метрового («Бутон») и декаметрового диапазонов частот (адаптивная KB радиосистема, ФГУП НПО «Импульс»), а также подсистемы подвижной спутниковой связи (НПО «Элас», ЗАО «НИВЦ АС»), реализующих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и более кбит/с, что позволит создать на их основе указанные вторичные подсети ПО; необходимость обеспечения требуемых ВВХ доставки сообщений в АСУ ОН ПО, с одной стороны, требует увеличения скорости передачи каналов в ее информационной сети, с другой стороны, предоставляемый коммуникационный ресурс первичной сети связи территориально
распределенных ПО ограничен потенциальными возможностями кана-лоформирующих ГШК и потребностями вторичных сетей низшего приоритета (сети ОРУ и МКО); сформированы допущения, в рамках которых возможна формализация и решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи. Данные допущения вытекают, во-первых, из физики исследуемого процесса и, во-вторых, являются типовыми в данной предметной области; актуальной является задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи. При этом такая информационная сеть является вторичной по отношению к первичной сети, создаваемой на основе перспективных цифровых ППК. Решение данной общей задачи требует решения следующих подзадач: - разработка математической модели доведения сообщений до произ вольного числа ЗУ по протоколу HDLC в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН с учетом разной длины сообщения и квитанции и конечной готовности направлений связи; - нахождение требуемого числа повторов доведения сообщения в ба зовом сегменте информационной сети АСУ ОН на каждом уровне иерархии, обеспечивающего требуемую вероятность доведения; - формулирование и решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети передачи данных в общем виде. Решение задачи для типовых исходных данных информационной сети АСУ ОН ПО; - разработка методики обоснования минимально достаточной скоро сти передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО; при норме управления, равной трем, информационная сеть АСУ ОН ПО может иметь базовые сегменты сети в вариантах «один-один», «один-два», «один-три», «один-четыре» и «один-пять»;
процесс доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН ПО имеет дискретное время, конечное число состояний и в нем соблюдается марковское свойство. Именно поэтому наиболее приемлемым математическим аппаратом для описания исследуемого процесса доставки сообщений являются поглощающие конечные марковские цепи. При этом искомые ВВХ находятся в ходе пошагового решения уравнения Колмогорова-Чепмена; разработаны правила автоматизированного синтеза элементов матрицы переходных вероятностей ПКМЦ, которые снимают проблему размерности базового сегмента информационной сети АСУ ОН ПО и, кроме того, учитывают конечную готовность направлений связи; решен вопрос с некорректным использованием разных шагов перехода в ПКМЦ, описывающих процесс доставки сообщений в базовой информационной сети АСУ ОН ПО, за счет введения в ПКМЦ фиктивных состояний; разработаны правила автоматизированного построения матрицы шагов переходов, снимающие проблему размерности базового сегмента информационной сети АСУ ОН ПО; найденные ВВХ доставки сообщения в базовом сегменте информационной сети каждого уровня иерархии соответствуют физике описываемого процесса. При этом выявлено, что: - чем ниже коэффициент готовности каналов базовой сети, тем большей канальной скоростью должен обладать канал; — чем «жестче» требования по ВВХ доставки сообщения (чем меньше требуемое время доведения при фиксированной вероятности доведения), тем большей канальной скоростью должен обладать канал;
