Введение к работе
Актуальность работы. Повсеместное проникновение беспроводных сетей передачи данных (БСПД), построенных на базе сетей подвижной сотовой связи стандартов GSM 2,5+, CDMA, UMTS и LTE, спутниковых систем и беспроводных вычислительных сетей стандартов Wi-Fi и WiMAX приводит к проникновению систем мониторинга и телеметрии во все сферы человеческой деятельности. Это обусловлено также успехами микроэлектроники, которые способствовали созданию недорогих датчиков, передающих информацию о состоянии объектов.
В настоящее время с применением БСПД строятся системы экологического мониторинга, наблюдения за чрезвычайными ситуациями, состоянием технических объектов, работой общегородского транспорта, системы дистанционного управления платежными терминалами, датчиками учета расхода воды, газа и электричества и т.д. Повсеместно внедряются различные корпоративные сети распределенного мониторинга, например, за состоянием газо- и нефтепроводов. Наряду со стационарными развиваются и динамические системы мониторинга и телеметрии. Различные типы датчиков устанавливаются на машинах службы скорой помощи, специализированных транспортных средствах, при этом они подключаются к системам позиционирования и могут передавать информацию о местонахождении и состоянии объекта.
Для предотвращения чрезвычайных ситуаций в масштабах страны разрабатываются и начинают применяться системы оперативного наблюдения на крупных территориально-распределенных объектах с большим числом датчиков, удаленных на значительные расстояния от центров обработки данных. При этом предъявляются жесткие требования к оперативности и достоверности доставки информации для предупреждения критических ситуаций. Передаваемый в этих системах трафик может быть мультисервисным, т.к. наряду с данными телеметрии, передающимися, как правило, с низкими скоростями, при возникновении чрезвычайных ситуаций могут передаваться сигналы видеонаблюдений, использующие максимальные скорости, например, по каналам WiMax или спутниковым каналам.
Для опроса датчиков систем мониторинга применяются различные системы упорядоченного опроса элементов сети, получившие в иностранной литературе название поллинга. По математическим моделям они в общем виде сходны с приоритетными системами массового обслуживания, однако здесь приоритеты назначаются по определенному правилу. Параметры поллинга могут изменяться динамически.
Разработке и исследованию характеристик различных моделей систем БСПД посвящено большое число работ отечественных ученых: Г.П. Башарина, В.М. Вишневского, А.И. Ляхова, М.С. Немировского, С.Л. Портного, К.Е. Самуй-лова, О.В. Семеновой,, И.В. Шахновича и др., а также зарубежных ученых: С. Бор-ста, В. Столлингса, X. Такаги, М. Шварца. В большинстве работ, в основном, разработаны методы упорядоченного опроса, в которых число активных датчиков сравнимо с их общим количеством.
Математической основой для решения задачи, рассматриваемой в данной работе, послужили работы по планированию отсеивающих экспериментов. В частности, исследования А. Реньи, П.Эрдоша, А.Г. Дьячкова, М.Б. Малютова, которые посвящены, в основном, статическим экспериментам, но при этом основное внимание уделялось задачам управления наблюдениями при отсутствии ошибок.
В данной работе исследуются сети мониторинга и телеметрии, в которых предполагается наличие сотен и более датчиков, передающих информацию по беспроводным сетям о возникновении аварийных ситуаций на различных участках объектов. Здесь не рассматривается процесс плановой передачи информации о текущем состоянии датчиков и объектов, осуществляемый по заранее составленному расписанию, а рассматривается задача наиболее быстрого обнаружения возникновения чрезвычайных ситуаций, вероятность появления которых мала, т.е. задача наиболее быстрого выявления датчиков, которые передают такую информацию. Для их выявления неэффективны методы, разработанные для систем с высокой активностью датчиков, так как время опроса в таких системах пропорционально числу датчиков и линейно растет с увеличением их количества. В связи с этим необходима разработка метода опроса, основанного на групповом поллинге, когда несколько датчиков опрашиваются одновременно, что позволяет существенно сократить время, необходимое для выявления активных датчиков.
Объектом исследования является распределенная сеть мониторинга и телеметрии технических объектов с поступающей от датчиков сигнальной информацией о возникновении аварийных ситуаций.
Предметом исследования является групповой поллинг больших систем мониторинга, когда вероятность того, что датчик активен, относительно мала.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертации состоит в разработке метода стохастического группового поллинга в беспроводных сетях мониторинга и телеметрии различных технических объектов, позволяющего выявлять аварийные ситуации на локальном участке сети, и исследовании его свойств с учетом, в частности, зависимости между срабатыванием датчиков.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теория сетей связи, теории информации, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания и методы имитационного моделирования.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью теоретических моделей, а также адекватностью методов, используемых для получения экспериментальных результатов.
Научная новизна результатов:
-
Показана неэффективность применения существующих математических моделей систем группового поллинга для систем мониторинга и телеметрии с большим числом датчиков при их низкой активности.
-
Разработан алгоритм поиска активных датчиков, обеспечивающий наличие нескольких режимов группового опроса.
-
Разработана и исследована математическая модель группового стохастического поллинга для случая, когда вероятность возникновения нештатной ситуации мала и одинакова для всех датчиков.
-
Разработана модификация математической модели метода группового поллинга, учитывающая зависимость между срабатыванием датчиков при возникновении нештатных ситуаций.
-
Исследованы характеристики разработанного метода стохастического поллинга и показано, что он позволяет выявить активные датчики за количество опросов на несколько порядков меньшее, чем число датчиков в сети; это позволяет значительно сократить время обнаружения критических ситуаций.
Личный вклад: Все основные научные положения и выводы, составляющие содержание диссертации, разработаны соискателем самостоятельно.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Выполненные в диссертационной работе исследования и разработанный метод, а также предложенные инженерные методики могут быть использованы для управления на сетях мониторинга и телеметрии.
Разработанный алгоритм поиска активных датчиков, обеспечивающий наличие нескольких режимов опроса, может быть использован для получения оперативной информации о внештатных ситуациях на таких сетях. Разработанная модификация алгоритма группового поллинга с учетом корреляции срабатывания датчиков позволяет более точно и своевременно определять возникновение внештатных ситуаций на больших удаленных объектах.
Основные результаты диссертационной работы использованы в Национальном институте радио и инфокоммуникационных технологий «НИРИТ» при проектировании резервной сети передачи данных системы безопасности и охраны инженерных сооружений ГУП «Гормост», а также в ООО «Эсти МЭП» при разработке программного обеспечения для систем автоматизированного контроля на газопроводе Дальневосточного региона. Также полученные теоретические результаты применяются в учебном процессе МТУСИ на базовой кафедре Информационные сети и системы при ИРЭ РАН и в МГТУ им. Баумана на кафедре Защита информации, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Восьмом и Девятом международных симпозиумах «Интеллектуальные системы» (Нижний Новгород, 2008 г., Владимир, 2010 г.), на 64 и 65 научных сессиях РНТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, 2009, 2010 гг.), на Одиннадцатом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Кисловодск, 2010 г., Сочи, 2010 г.), на Международной научно-технической конференция «INTERMATIC-2010» (МИРЭА), на четвертой и пятой научных конференциях «Технологии информационного общества» (Москва, МТУСИ, 2010, 2011 гг.), на Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (Москва, РУДН, апрель 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование задачи группового поллинга как средства обнаружения активных датчиков в больших системах мониторинга.
-
Математическая модель задачи группового поллинга при использовании общего канала доступа, учитывающая наличие ошибок в канале связи.
-
Обоснование эффективности метода группового поллинга по сравнению с индивидуальным опросом каждого датчика для систем мониторинга, когда число датчиков превосходит несколько сотен.
-
Обоснование необходимости учета зависимости между срабатыванием датчиков, установленных на одном объекте, при разработке матрицы группового опроса датчиков.
-
Алгоритм адаптивного группового опроса, обеспечивающий настройку матрицы опросов в зависимости от числа обнаруженных активных датчиков.
-
Обоснование свойств предложенного алгоритма группового опроса в зависимости от емкости сети мониторинга и предположений о зависимости между срабатыванием датчиков.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает в себя 96 наименований.
