Введение к работе
Актуальность: 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.
АСУ территориально распределенными объектами (АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств) имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект - АСУ общего назначения (АСУ ОН). Отметим, что в АСУ ОН имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с другом в иерархической зависимости и связанные информационной сетью.
Одной из важных задач функционирования АСУ ОН является задача контроля верхними ЗУ состояния нижних ЗУ. Данная задача актуальна, например, в АСУ функционированием газопроводов, нефтепроводов и др., когда осуществляется управление «сверху» положением заслонок в трубе. При этом информационная сеть такой АСУ строится по радиально-узловому принципу. В такой сети, как правило, имеется верхнее ЗУ (ВЗУ), несколько средних ЗУ (СЗУ) и совокупность нижних ЗУ (НЗУ), совмещённых непосредственно с объектами управления (например, заслонками газопроводов).
Информация о состоянии НЗУ должна периодически обновляться в базах данных СЗУ и ВЗУ. При этом сбор данной информации должен происходить циркулярно за минимальное время (оперативно) и с допустимой затратой пропускной способности информационной сети (ИС) АСУ ОН.
Основу ИС для АСУ ОН территориально распределенных подвижных объектов (ПО) составляет система спутниковая связи (ССС), система радиосвязи метрового диапазона, тропосферная, а также KB радиосвязь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ОН ПО является ССС.
Вопросы развития спутниковой связи гражданского назначения решаются на правительственном, межведомственном (ГКРЧ) и ведомственном (Министерство связи и информатизации РФ, Росавиакосмос и др.) уровнях. Российские спутниковые системы связи находятся под юрисдикцией государства и эксплуатируются отечественными государственными (ГП КС) или частными коммерческими операторами.
В нашей стране разрабатываются несколько проектов подвижной персональной спутниковой связи («Ростелесат», «Сигнал», «Молния Зонд»).
Российские предприятия участвуют в нескольких международных проектах персональной спутниковой связи («Иридиум», «Глобалстар», ICO и др.). В настоящее время прорабатываются конкретные условия применения систем подвижной связи на территории Российской Федерации и их сопря-
жения с Единой сетью электросвязи России. В разработке и создании комплексов ССС принимают участие: Государственный оператор ГП «Космическая связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания Alcatel (создание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО «Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.
В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все ССС можно разделить на три группы: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию.
Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом малогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может достигать сотен и более единиц. Именно такая ситуация имеется в АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть» и других, подобным им, где число заслонок в трубах (или других исполнительных механизмов или датчиков) очень велико. Последние в рамках исследования будем называть обобщенно НЗУ или контролируемые объекты (КО) в АСУ ОН.
К системе оперативного сбора информации АСУ ОН о состоянии НЗУ (КО) предъявляются достаточно высокие требования и, в первую очередь, к своевременности и достоверности процесса сбора. Однако ИС АСУ ОН, построенная на базе ССС, для реализации этого процесса может выделить только ограниченный ресурс (пропускную способность), так как основная её часть расходуется в интересах текущего информационного обмена всех ЗУ между собой. Кроме того, штатный информационный обмен всех ЗУ между собой в рамках ИС АСУ ОН ведётся на базе заданного стека протоколов, ориентированного на «гладкий» (стационарный) трафик (например, стек протоколов типа TCP/IP). Трафик же циклического опроса и оперативного сбора информации о состоянии КО является «взрывным», импульсным и для своего доведения требует реализации протокола специального типа.
С другой стороны, в ССС имеется общий запросно-вызывной канал (ЗВК), обеспечивающий взаимодействие центральной и абонентских станций ССС при организации различных режимов обслуживания сетевого трафика (режим предоставления каналов по требованию, СМД и др.). При этом, не снижая общности исследования, будем рассматривать, например, ССС типа «VSAT», имеющую такой ЗВК, для которого отработан протокол физического уровня. Отсюда вытекает задача использования ЗВК (общего канала ССС) для оперативного сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН.
В работах В.Вишневского, Х.Такаги, С.Борста хорошо изучены системы упорядоченного циклического опроса - системы поллинга, являющиеся разновидностью систем массового обслуживания с несколькими очередями и общим обслуживающим прибором или несколькими приборами. Однако анализ систем поллинга показывает, что их эффективность прямо пропорциональна помехоустойчивости «обратного» канала связи - канала, по которому
осуществляется передача команд управления от центра управления связью к КО.
В работе Д.Бертсекаса, С.Бунина проведена оценка протокола маркерного доступа, при котором право передачи абонентам предоставляется посредством передачи служебного пакета. Организация маркерного протокола доступа, ввиду большого числа КО в АСУ ОН явно неэффективна.
В 70-х годах для организации и ведения информационного обмена в информационно-вычислительных сетях с низким парциальным трафиком пользователей были предложены и обоснованы протоколы случайного множественного доступа (СМД) (ALOHA, S-ALOHA, PB-ALOHA и их модификации). Исследования Л.Клейнрока, С.Лама, школ Цыбакова Б.С. (НИИ ПЛИ), Шарова А.Н. (ВА связи им. С.М.Буденого) и др. показали относительно высокую потенциальную эффективность данных протоколов по пропускной способности и задержке, определи границы их устойчивости и управляемости в условиях стационарного трафика системы. В 80-х - 90-х годах дальнейшее развитие протоколы СМД нашли при построении ЛВС, пакетных радиосетей различного назначения, ЗВК спутниковых систем и систем мобильной сотовой связи основных стандартов. Отличительной особенностью данных протоколов, делающей их привлекательными для применения в системах связи различного назначения, является почти полное отсутствие требований по координации действий абонентов друг с другом при работе в общем канале. Однако отмеченное достоинство протоколов обуславливает и их главный недостаток, а именно: существенную нестабильность в условиях нестационарной нагрузки.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: между высокими требованиями к своевременности системы сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН с одной стороны и невозможностью их реализации на основе существующих типовых протоколов информационного обмена, с другой.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Процедура взаимодействия центральной и абонентских станций сети спутниковой связи в режиме оперативного сбора данных о состоянии контролируемых объектов».
Цель диссертационного исследования является обеспечение требуемой оперативности сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН.
Объект исследования - программно-технический комплекс средств приема и обработки информации о состоянии КО в АСУ ОН в режиме оперативного опроса.
Предмет исследования - процедура взаимодействия центральной и абонентских станций ССС в режиме оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена научная задача - обоснование параметров процедуры сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН по общему каналу ССС, обеспечивающей требуе-
мые вероятностно-временные характеристики данного процесса. Основные результаты, представляемые к защите
Комплекс математических моделей оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН для различных алгоритмов передачи информации по ЗВК ССС в условиях ограниченности коммуникационного ресурса.
Алгоритм взаимодействия центральной и абонентских станций ССС в режиме оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.
Научная новизна полученных результатов
Впервые разработана математическая модель списочного режима использования общего канала ССС при опросе состояния КО в АСУ ОН как модифицированного алгоритма поллинга.
Разработанный комплекс математических моделей оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН для различных алгоритмов передачи информации по общему каналу ССС в условиях ограниченности коммуникационного ресурса, в отличие от известных, позволяет оптимизировать параметры алгоритмов СМД с точки зрения оперативности сбора информации с учетом воздействие помех как по прямому, так и по обратному каналам общего канала ССС.
Впервые обоснован алгоритм определения оптимальной точки переключения общего канала ССС с режима списочного опроса в режим СМД алгоритма взаимодействия центральной и абонентских станций в режиме сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью и логической обоснованностью постановок задач, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории конечных марковских цепей, теории статистических решений и рядя других научных направлений.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что они доведены до уровня протоколов, методик, алгоритмов машинных моделей, обеспечивающих требуемую своевременность сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН по общему каналу ССС. Полученные результаты непосредственно использованы при разработке материалов ОКР по системе «Кедр-УМ».
Результаты работы реализованы:
В ЗАО «НИВЦ АС» при разработке материалов в рамках ОКР «Отлучка» при разработке системотехнических решений аппаратуры контроля и управления «Кедр-УМ» (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 08.09.2010г.).
В МОУ «ИИФ» при разработке системотехнических решений подсистемы оперативного сбора данных о состоянии разнородных средств связи автоматизированного узла связи специального назначения в рамках ОКР «Решка - ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 10.10.2010г.).
В СВИ РВ использованы в учебном процессе института по кафедре «Автоматизированные системы управления и связи» (в ходе дипломного
проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации СВИ РВ от 02.09.2010г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: трех Сессиях Российского НТОРЭС им А.С. Попова; двенадцати 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 34 работы, в том числе: 24 научные статьи (пять статей в журнале из Перечня ВАК), тезисы 4-х докладов на НТК, 3 отчёта о НИР и 2 отчет об ОКР. Получен один патент на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложения, изложена на 174 страницах машинописного текста. В список литературы внесено 100 научных источников.
