Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей АСО. Постановка задачи исследования 17
1. 1 Особенности построения систем оповещения 17
1. 1.1 Местные системы оповещения 18
1. 1.2 Локальные системы оповещения 21
1. 1.3 Объектовые системы оповещения 23
1. 2 Автоматизированная система централизованного оповещения на базе комплекса технических средств П-166 25
1. 3 Методическое обеспечение и основание для создания АСО 28
1. 4 Анализ низкочастотного радиотракта АСЦО 33
1. 5 Особенности распространения и анализ естественной помеховой обстановки в низкочастотном диапазоне волн 35
1. 5.1 Особенности распространения низкочастотных волн 35
1. 5.2 Анализ естественной помеховой обстановки в низкочастотном 37
диапазоне волн
1. 6 Постановка задачи исследования и направления ее решения 43
Выводы по первому разделу 50
2 Математические модели процесса доведения сообщения в низкочастотном радиотракте АСЦО 51
2. 1 Обоснование применяемого научно-методического аппарата конечных марковских цепей 51
2. 2 Обоснование исходных данных для математического моделирования процесса доведения сообщений в радиосети с повторениями и мажоритарной обработкой повторов
2. 3 Математическая модель доведения сообщения в низкочастотном радиотракте АСЦО в соединении «точка-точка» с учетом мажоритарной обработки повторов 68
2. 4 Математическая модель доведения сообщений до абонентов зоны оповещения по низкочастотному радиотракту АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов 88
Выводы по второму разделу 105
3 Разработка методики обоснования типов и количества мажоритарных проверок в логическом приемнике абонента низкочастотного радиотракта АСЦО 107
3. 1 Методика обоснования типов и количества мажоритарных проверок в логическом приемнике абонента низкочастотного радиотракта АСЦО 107
3. 2 Определение оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов 113
Выводы по третьему разделу 124
Заключение 125
Список использованных источников
- Локальные системы оповещения
- Особенности распространения и анализ естественной помеховой обстановки в низкочастотном диапазоне волн
- Математическая модель доведения сообщения в низкочастотном радиотракте АСЦО в соединении «точка-точка» с учетом мажоритарной обработки повторов
- Определение оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов
Введение к работе
I. Актуальность: автоматизированная система централизованного оповещения (АСЦО) Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) РФ предназначена для доведения различных сигналов (формализованных сообщений) до абонентских станций (АС) объектов оповещения, рассредоточенных в зоне оповещения (ЗО), охватывающей один или несколько регионов территории РФ. Одним из главных требований к АСЦО является надежность доведения. Именно поэтому в АСЦО имеется несколько трактов доведения, реализованных как в виде проводных технологий, так и в виде беспроводных (радио) технологий. Необходимость устойчивого функционирования беспроводной системы в ЗО размером (1000x1000 км) потребовала использования радиотрактов различных диапазонов частот, в том числе низкочастотного диапазона. Низкочастотный радиотракт (НР) базируется на применение километровых радиоволн (частота 3-300 КГц) и способен устойчиво функционировать в условиях естественного помехового фона (грозовая и солнечная активность), в условиях сейсмических воздействий естественного и техногенного характера, в условиях возмущений ионосферы. В НР также как и в других радиотрактах АСЦО доведение сообщений осуществляется способом многократного их повторения. Известно, что способ многократного повторения сообщений в системах передачи данных (СПД) является «не самым» лучшим с точки зрения эффективности использования энергетических и спектральных ресурсов радиолинии. Однако, данный способ передачи в АСЦО обусловлен исключительно спецификой ее функционирования. Необходимость надежного доведения сообщений в НР АСЦО требует использования всех потенциальных возможностей, заложенных в способе многократного повторения сообщений. А именно накопления повторов сообщений (ПС) и использования всех поразрядных мажоритарных проверок (МП) на текущем множестве повторов, имеющихся на текущем шаге приема в логических приемниках (ЛП) АС.
Поэтому актуальной является задача оценки оперативности доведения сообщений в НР АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов (МОП) сообщений в сложной помеховой обстановке.
В области разработки и создания АСО и систем связи, функционирующих в сложной помеховой обстановке, накоплен большой опыт. Организациями, имеющими серьезные разработки по таким направлениям, являются НИИ «Автоматики и электроники» (г.Томск), ОАО «Концерн «Созвездие» (г.Воронеж), ОАО «КНИИТМУ» (г.Калуга), ОАО «Калужский завод телеграфной продукции», (г.Калуга), ОАО «Концерн «Орион» (г.Москва), ОАО «КБ приборостроения» (г.Тула), ФГУП «Омское производственное объединение» (г.Омск), ФГУП «ЦКБ «Геофизика» (г.Красноярск), ФГУП НИИ им. А.А. Семенихина (г.Москва), ОАО «РИМР» (г.Санкт-Петербург), ЗАО НИВЦ АС (г.Москва), МОУ «ИИФ» (г.Серпухов), ФГУП НИИ систем связи и управления (г.Москва), Институт проблем передачи информации РАН (г.Москва) и др. Разработки данных организаций,
прежде всего, ориентированы на гарантированную доставку сообщений оповещения в чрезвычайных условиях (ЧУ).
Вопросам построения систем и сетей передачи информации автоматизированных систем управления и автоматизированных систем оповещения в сложной помеховой обстановке и ЧУ большое внимание уделено в школах таких ученых как Долуханов М.П., Варакин Л.Е., Борисов В.И., Буга Н.Н., Ларин А.А., Голиков В.П., Тузов Г.И., Прытков И.В., Малышев И.И., Кузичкин А.В., Якубайтис Э.А., Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Бутрименко А.И., Глушков В.М., Мизин И.А., Самойленко С.И., Шаров А.Н., Олифер В.Г., Присяжнюк С.П. Злобин В.И., Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Зеленевский В.В., Шиманов С.Н. и другие. При этом вопросы нахождения характеристик оперативности доведения сообщений в сетях доведения циркулярной информации с учетом процедур накопления повторов и их мажоритарной обработки являются открытыми.
Таким образом, указанная задача требует разрешения следующего противоречие: с одной стороны в логических приемниках НР АСЦО осуществляется МОП сообщений, с другой стороны отсутствует научно-методический аппарат (НМА) аналитического определения оперативности доведения сообщений в радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки поступающих повторов сообщений.
Разрешение этого противоречия заключается в разработке НМА оценки
оперативности доведения сообщений в НР АСЦО с учетом мажоритарной
обработки поступающих ПС в условиях помех и обоснования
системотехнических решений повышения их достоверности в приемниках АСЦО на пунктах управления (ПУ) МЧС.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Определение оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте автоматизированной системы централизованного оповещения объектам гражданской обороны» на основе разработки соответствующих аналитических зависимостей, правил, алгоритмов и моделей, методики.
Цель исследования: определение характеристик доведения сообщений в НР АСЦО и обоснование требований к алгоритмическому обеспечению процесса мажоритарной обработки сообщений в приемниках радиотракта.
Объект исследования: низкочастотный радиотракт АСЦО.
Предмет исследования: математические модели процесса доведения сообщений в радиальных сетях передачи данных без обратной связи с повторами.
Научная задача исследования: разработка НМА определения
оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки поступающих повторов сообщений в помеховых условиях.
Основные результаты, представляемые к защите:
1. Математическая модель доведения сообщения в низкочастотном радиотракте АСЦО в соединении «точка-точка» с учетом мажоритарной обработки повторов.
-
Математическая модель доведения сообщений до абонентов зоны оповещения по низкочастотному радиотракту АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов.
-
Методика обоснования типов и количества мажоритарных проверок в логическом приемнике абонента низкочастотного радиотракта АСЦО.
Научная новизна полученных результатов:
сформированы правила синтеза матрицы переходных вероятностей (МПВ) для конечной марковской цепи (КМЦ), описывающей процесс доведения сообщений в соединениях «точка-точка» и «точка-многоточка» с учетом МОП, инвариантные к числу повторов и типам используемых МП, что позволило найти вероятностно-временные характеристики (ВВХ) процесса;
на основе найденных ВВХ сформированы выражения для численного нахождения оценочных значений временных характеристик (ВХ) (математического ожидания (МО) и дисперсии времени доведения сообщения с учетом МОП в рассматриваемом радиотракте) доведения сообщений за фиксированное число шагов КМЦ;
методика обоснования типов и количества МП инвариантна как к числу их типов, так и к количеству накопленных ПС, что позволяет ее использовать и в других СПД.
Достоверность и обоснованность разработанного НМА
подтверждается корректностью и логической обоснованностью
разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений,
использованием апробированного математического аппарата теории поглощающих КМЦ (ПКМЦ), согласованностью полученных результатов расчета с физикой процесса доведения сообщения в НР АСЦО, получением из достигнутых результатов при определенных допущениях и ограничениях частных результатов, полученных другими исследователями.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований
обусловлена тем, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и
машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования ЛП НР АСЦО
закладывать обоснованные типы МП и их количество, вносящих наибольший
вклад в достоверность и оперативность доведения сообщений.
Использование предлагаемого подхода позволит сократить количество применяемых типов МП в штатном режиме работы на 30% и количества этих типов на 35%. Кроме того, разработанные математические модели доведения сообщений в НР определяют ВВХ процесса с учетом МОП.
Результаты работы реализованы:
-
В МОУ «Институт инженерной физики» при обосновании параметров протокола доведения сообщений сети циркулярной связи специального назначения в рамках ОКР «Паутина- ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 16.01.2014 г.).
-
В филиале Военной академии РВСН имени Петра Великого в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы боевого управления» при изучении дисциплин «Информационные сети и телекоммуникации» (акт о реализации ФВА РВСН от 23.01.2014 г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 11 НТК различного уровня, в том числе Международного уровня - 3, Всероссийского уровня - 4; ведомственного уровня - 4; 4 НТС кафедры «АСБУ» ФВА РВСН. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них: 9 статей в научно-технических сборниках (2 статьи в журналах из Перечня ВАК); 2 патента на полезную модель; 1 отчет об ОКР.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, приложения и изложена на 161 страницах машинописного текста. В список литературы внесено 111 научных источников.
Локальные системы оповещения
Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий провело Государственные испытания и приняло к использованию КТС третьего поколения П-166, которые планируется внедрять по мере модернизации различных уровней систем оповещения. Данные КТС сопрягаются с используемыми сейчас П-160 и П-164 и могут постепенно устанавливаться на место последних. В настоящее время такие комплексы устанавливаются на территориальных, местных и ниже уровнях СО.
Рабочее место оператора (автоматизированный пульт управления П-166 АПУ) в составе системы централизованного оповещения позволяет: - формировать, корректировать и хранить в памяти ПЭВМ списки абонентов (номер телефона, Ф.И.О и др.); - формировать, корректировать и хранить данные о структуре сети оповещения; - документировать информацию о работе системы и факты подтверждений оповещения штатным печатающим устройствам ПЭВМ; - выводить на экран монитора ПЭВМ номера телефона и Ф.И.О. не ответивших абонентов; - программно формировать дополнительные команды управления для запуска системы, расширяя ее функциональные возможности, принимать команды оповещения с КТС верхнего звена, поступление которых сопровождается индикацией номера принятой команды и звуковым сигналом; - передавать на КТС верхнего звена автоматические и ручные подтверждения о приеме сигнала оповещения; - передавать речевые сообщения непосредственно с микрофона или сообщения, подготовленные заранее; - производить речевой обмен с выбранным абонентом сети; - осуществлять прием и передачу данных о ЧС; - осуществлять передачу и прием информации по выделенным или по четырех- проводным каналам связи, взятым у их основных потребителей. Система позволяет произвести запуск как централизованного оповещения населения во всех зонах, так и выборочного оповещения в отдельных зонах. При модернизации на уровне запуска электросирен используются оконечные устройства из КТС аппаратуры предыдущего поколения П-164.
Данный тип СО работает при помощи выделенных линий и каналов тональной частоты (ТЧ), а для работы по цифровым каналам требует дополнительного оборудования. Сложность реализации проектов на базе оборудования КТС П-166 заключается в довольно высокой стоимости их установки и эксплуатации.
Второй конкурирующей и аналогичной по функциональным возможностям СО является АСО, развитие которой начиналось с АСО должностных лиц и впоследствии разрослось до размеров территориальных, местных и ниже СО. В этой системе, так же как и в КТС П-166, предусматриваются режимы работы по выделенным линиям, каналам ТЧ. Она сопрягается с оборудованием КТС П-160 П-164 и дорабатывается для сопряжения с КТС П-166. Дополнительно к вышеуказанным режимам работы П-166 АСО предусматривает модемный режим работы с передачей сигнала по аналоговым и цифровым каналам корпоративной сети МЧС, ГТС или МГТС. В этом случае работа осуществляется в следующем порядке: дозвон до оконечных процессорных устройств, запуск сирен (УЗС-1), получение подтверждения. Такая система не требует размещения на каждой промежуточной АТС дорогостоящего оборудования и может производить запуск как одной, так и всех одновременно электросирен СО населения.
В настоящее время возникают большие сложности с реализацией проектов электросиренного оповещения населения. Это вызвано отсутствием достаточного количества производителей электросирен на российском рынке. С целью оповещения, информирования населения и звукофикации объектов экономики часто используется КТС СГС-22М. Оборудование КТС П-166 и АСО сопрягаются с СГС-22М и могут работать совместно. В СО населения новые, строящиеся зоны оповещения и зоны с выработавшими ресурс электросиренами можно постепенно переоснащать на оповещение с использованием КТС СГС-22М. Оставшиеся исправные электросирены могут быть использованы для замены выходящих из строя.
Рынок КТС местных СО в настоящее время ограничивается рассмотренным выше оборудованием. В «Концепции развития системы связи МЧС России на период до 2015 года» предлагается в ближайший период завершить разработку и провести государственные испытания комплексов технических СО нового поколения и наладить их серийное производство.
Особенности распространения и анализ естественной помеховой обстановки в низкочастотном диапазоне волн
Частное правило 2.1 позволяет определить все переходные вероятности, входящие в МПВ с учетом логики работы БЛО ЛП. Но основу данного правила составляет рекуррентная формула (2.34). Ее особенностью является сложность представления формализованной записи при произвольной величине М. Очевидно, что необходимо сформировать правило, позволяющее находить элементы МПВ (2.25) КМЦ доведения сообщения в соединении «точка-точка» для произвольного числа получаемых БЛО повторов сообщения М. Исходя из того, что сумма переходных вероятностей каждой строки МПВ есть «1», получаем, что: Примерный вид зависимости РS от i шагов Нахождения процесса в конечном - поглощающем состоянии SМ графа КМЦ рисунка 2.7 на каждом шаге решения УКЧ и есть ВВХ процесса доведения сообщения в соединении «точка-точка» (от ПДРЦ до конкретной АС).
Таким образом, ВВХ показывают изменение вероятности доведения сообщения от ПДРЦ до АС в зависимости от числа шагов (от числа повторов сообщения) в дискретном времени в динамики получаемых ЛП АС повторов.
Особенно важно, что на базе расчета ВВХ процесса можно определить численно ВХ за конечное число шагов (L) процесса, т.е. получить оценочные значения МО M (L) и дисперсии D[L].
Определим M (L) . Известно, что результат решения УКЧ показывает вероятности нахождения в состояниях цепи в динамики шагов КМЦ и в частности, вероятность нахождения КМЦ в поглощающем состоянии, в динамики шагов т.е.: Шаг КМЦ 0 1 2 3 … / Вероятность нахождения в поглощающем P(0) SМ P(1) SМ P(2) SМ P(3) SМ … P(i) SМ состоянии Sn Причем величина PS(i ) - показывает вероятность нахождения КМЦ в состоянии SM за / шагов, очевидно, что величина f - 4) будет показывать вероятность нахождения КМЦ в состоянии SM на / шаге.
Зная, что МО дискретной случайной величины есть сумма произведений всех возможных значений случайной величины (СВ) на вероятности этих значений [11].
В нашем случае роль СВ выполняет шаг, а вероятность СВ есть (р -Р Л, следовательно численное определение среднего количество шагов КМЦ за / шагов, есть: Обобщение позволило получить следующие выражение: M(L) = i.(PS«_PSИ))1 (2.40) где / - шаг КМЦ; PS (i_1) - вероятность нахождения КМЦ в поглощающем состоянии S M на і 1 шаге; PS (0 - вероятность нахождения КМЦ в поглощающем состоянии S M на / шаге. Таким образом, определенно численно оценочные значения среднего количества (МО) шагов КМЦ M(L) за определенное количество шагов L КМЦ. Определим численно оценочное значение дисперсии числа шагов КМЦ D[L] за / шагов при постоянном ШП. Зная, что дисперсия СВ есть [11]: Тогда определим численным путем оценочное значение дисперсии шагов КМЦ за конечное число шагов D[L] при постоянном ШП так: D L = л[PS M;уPS M;1))-\i-M L\ . (2.41) Оценочное значение СКО шагов КМЦ d[L] за конечное число шагов КМЦ есть:
По выражениям (2.40,2.41,2.42) можно определять численным путем ВХ как однородной, так и неоднородной КМЦ за конечное число шагов КМЦ.
Переход к реальному времени осуществляется по формулам: где т= V Исходя из свойства марковости рассматриваемого процесса с дискретным временем, можно данный процесс описать как процесс с непрерывным временем (с некоторой долей неточности). Для этого необходимо знать лишь, среднее время доведения сообщения M(t). Тогда, ВВХ можно определить по следующей функции:
Математическая модель доведения сообщения в низкочастотном радиотракте АСЦО в соединении «точка-точка» с учетом мажоритарной обработки повторов
Определение оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки повторов
Численные расчеты характеристик (в частности, ВВХ) доведения сообщений в НР АСЦО на базе разработанных математических моделей, и методики позволили сделать следующие выводы.
1. Сформирована методика обоснования типов и количества мажоритарных проверок в логическом приемнике абонента НР АСЦО. На конкретных вариантах исходных данных показана работоспособность методики. В частности, показано, что на 12 повторах достаточно использовать только 3 типа МП вместо 8 возможных. Последнее позволит снизить требования к емкости памяти и производительности микропроцессоров, реализующих в БЛО мажоритарную обработку повторов.
2. Проведены расчеты ВВХ, ВХ и ЧХ доведения сообщений в мириаметровом радиотракте АСЦО как в соединении «точка-точка» так и в соединении «точка-многоточка». Из результатов расчетов следует:
- как в соединении «точка-точка», так и в соединении «точка-многоточка» ВВХ соответствуют физике рассматриваемого процесса доведения, а именно: с увеличением числа повторов вероятность доведения увеличивается;
- по полученным значениям ВВХ в соединении «точка-многоточка» при фиксированной вероятности ошибки в канале связи p0 можно найти то количество повторов, которое обеспечит доведения сообщения с требуемой вероятностью до всех АС;
- графики для ВХ и ЧХ также показывают хорошее совпадение расчетов с физикой процесса, т.е. с увеличением числа повторов информации МО АС, получивших сообщение, стремится к их общему числу. СКО в динамике числа повторов имеет максимум и затем стремиться к нулю. Последнее означает, что искомый процесс доведения вначале имеет чисто стохастический характер, а в последующем становится детерминированным.
Одной из важных задач внедрения в АСЦО нового низкочастотного радиотракта требует нахождения достигаемой оперативности доведения сообщений до всех абонентов зоны оповещения в условиях сложной помеховой обстановки с учетом реализованных в абонентском приемнике процедур мажоритарной обработки повторов.
В ходе решения научной задачи диссертационного исследования -разработки научно-методического аппарата определения оперативности доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО с учетом мажоритарной обработки поступающих повторов сообщений в помеховых условиях- было показано, доказано и выявлено следующее:
Для обеспечения надежности, достоверности и своевременности доведения в АСЦО параллельно используются несколько радиотрактов разных диапазонов частот.
Существенный дополнительный вклад в надежность доведения сообщений по АСЦО до ПУ и АС зоны оповещения в чрезвычайных условиях обеспечивается введением нового низкочастотного радиотракта.
Основным методом повышения достоверности доставки сообщений в НР является, во-первых, использование помехоустойчивого кодирования сообщения и, во-вторых, накопление повторов сообщения и последующей их мажоритарной обработкой.
Актуальной является задача разработки научно-методического аппарата оценки оперативности доведения сообщений в НР АСЦО с учетом мажоритарной обработки поступающих повторов сообщений в сложных помеховых условиях и обоснования системотехнических решений повышения их достоверности в приемниках.
Установлено, что процессы доведения сообщения в соединении «точка-точка» (радиолинии) и до абонентов зоны оповещения (соединения «точка-многоточка») в НР АСЦО являются конечными марковскими цепями.
Для КМЦ, моделирующей процесс доведения сообщения в соединении «точка-точка», сформировано правило синтеза МПВ, инвариантное к числу повторов сообщения, а также к типам МП и их количеству, используемых при данном синтезе, что позволяет находить искомые ВВХ доведения сообщений. На этой основе сформированы выражения для численного нахождения ВХ доведения сообщений. Кроме того, с использованием формулы Фробениуса найдены простые зависимости для нахождения ВХ в аналитическом виде только по элементам МПВ КМЦ (без нахождения фундаментальной и дисперсионной матриц). Найдены выражения, позволяющие находить множество отмеченных типов МП и их количества при произвольном числе повторов.
Сформирована методика обоснования типов и количества мажоритарных проверок в логическом приемнике абонента НР АСЦО. На конкретных вариантах исходных данных показана работоспособность методики. В частности, показано, что на 12 повторах достаточно использовать только 3 типа МП вместо 8 возможных, при этом количество МП старшего типа можно сократить на 53% по отношение к их максимальному значению. Последнее позволит снизить требования к емкости памяти и производительности микропроцессоров, реализующих в БЛО мажоритарную обработку повторов.
Проведены расчеты ВВХ, ВХ и ЧХ доведения сообщений в низкочастотном радиотракте АСЦО как в соединении «точка-точка» так и в соединении «точка-многоточка». Из результатов расчетов следует: - как в соединении «точка-точка», так и в соединении «точка-многоточка» ВВХ соответствуют физике рассматриваемого процесса доведения, а именно: с увеличением числа повторов вероятность доведения увеличивается;
