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. При этом в АСУ между ее основными абонентами используются обмен данными между специализированными устройствами (звеньями управления (ЗУ)), речевой обмен и межкомпьютерный обмен (МКО). ЗУ обладают высшим приоритетом.
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 системы спутниковой связи, сети коротковолновой связи, сети связи метрового диапазона. Для общности АСУ такого типа будем именовать АСУ общего назначения (ОН), а также положим (не снижая общности), что ее первичная сеть строится на базе сети связи метрового диапазона. Сеть АСУ ОН реализует коммутацию пакетов.
Каналы метрового диапазона могут быть подвержены воздействию помех других радиосредств (PC) вследствие недостаточной координированно-сти работы частотно-диспетчерских служб различных министерств, агентств, ведомств и служб. Такие воздействия могут приводить к тому, что отдельные каналы АСУ ОН могут поразиться на некоторое время, зависящее от длительности режима работы мешающих PC. Таким образом, топология рассматриваемой сети в случае воздействия помех динамически изменяется.
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., Шаров А.Н., Олифер В.Г., Присяжнюк СП., Цимбал В.А., Шиманов С.Н., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д. и другие.
Базовым приемо-передающим комплексом (ПИК), на основе которого строится сеть АСУ ОН, является ПИК типа «Бутон». Основным принципом построения ПИК типа «Бутон», используемых в узловом режиме функционирования цифровой сети АСУ ОН, является применение незакрепленных разделяемых во времени и пространстве цифровых потоков (незакрепленных каналов с адаптируемой по помеховой обстановке скоростью передачи информации). При этом цифровой поток представляет собой временной кадр, разделенный на некоторое число временных окон, каждое из которых представляет собой единичный цифровой канал (ЕЦК) связи с наименьшей пропускной способностью (1200 бит/с). Пакет, помещаемый во временном окне, для всей сети является стандартизованным и представляет собой коммутируемую единицу информации. Для обеспечения такой коммутации в узлах сети имеется соответствующее коммутационное оборудование. Отметим, что
на такой первичной цифровой сети связи осуществляется только коммутация каналов. Реализация функций временного каналообразования и коммутации в ГПЖ обеспечивает гибкое перераспределение коммуникационного ресурса ГПЖ между направлениями связи и, в частности, легко позволяет реализовать рокадные связи в сети.
В области разработки и создания систем связи с незакрепленными каналами накоплен большой опыт. Организациями, имеющими серьезные разработки по таким системам связи, являются ОАО «Концерн «Созвездие»», ФГУП НПО «Импульс», ЗАО НИВЦ АС, НПО «Элас» и др.
В иерархии вложенных отношений, реализуемых в сети АСУ ОН, можно выделить две независимые структуры. Одна из этих структур, называемая первичной сетью связи, охватывает вопросы организации связи магистральных направлений сети. Другая структура - вторичная сеть связи, создает однородную нагрузку на первичную сеть и посредством внутреннего алгоритма работы узлов сети (комплекса управления связью (КУС)) реализует функции сетевого уровня обслуживания разнородных абонентов за счет реализации процедуры маршрутизации пакетов.
В условиях помеховых воздействий на каналы сети АСУ ОН и в условиях динамики нагрузки её основных абонентов способы использования обходных каналов, основанные на известных протоколах маршрутизации в силу изменения пропускных способностей отдельных направлений, являются неоптимальными. Применение известных методов решения такой оптимизационной задачи в условиях целочисленности получаемого решения- недопустимо по причине большой размерности задачи.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, необходимость выполнения требований по организации сети связи АСУ ОН с заданными показателями качества информационного обмена формирует потребность использования обходных (рокадных) каналов, что в априори позволит достичь выполнение этих требований, а с другой- не существует эффективного по оперативности и оптимальности метода выбора эффективного способа маршрутизации, вводимого за счет рокадных связей.
Разрешение этого противоречия заключается в разработке программно-математического и методического аппарата, позволяющего решать задачу о рациональной- максимально близкой к оптимальной (в условиях ограничения на оперативность решения) организации связи в АСУ ОН при ее интенсивном структурном изменении.
Поэтому актуальной является тема диссертационной работы «Реконфигурация первичной сети радиосвязи основных абонентов АСУ общего назначения в условиях динамики нагрузки».
Объектом исследования является первичная сеть связи метрового диапазона АСУ общего назначения.
Предметом исследования являются методы, способы, алгоритмы оперативной реконфигурации первичной сети связи.
Целью работы является повышение надежности установления соединений абонентов сети радиосвязи метрового диапазона АСУ общего назначения в условиях динамики нагрузки.
Научной задачей является разработка научно-методического аппарата оперативной рациональной реконфигурации сети радиосвязи метрового диапазона АСУ ОН в условиях изменения нагрузки и воздействия на сеть.
Для достижения цели работы в ней ставятся и решаются следующие подзадачи:
Анализ особенностей функционирования существующей и перспективной первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН и динамики нагрузки в ней.
Разработка процедуры решения задачи динамической реконфигурации первичной сети связи и её реализация посредством использования нейросе-тевых технологий.
Анализ эффективности применения и реализуемости нейросетевого контроллера, реконфигурирующего первичную сеть радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН в условиях динамики нагрузки.
В ходе решения этих задач были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:
Математическая модель нейросети, распределяющей коммутируемый коммуникационный ресурс первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН.
Алгоритм обучения нейросети, распределяющей коммутируемый коммуникационный ресурс первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
Разработан новый математический аппарат, позволяющий оперативно решать задачу о реконфигурации первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН, в основе которого лежит ассоциативная нейросеть особой структуры. Для обучения такой нейросети используется новая, неизвестная ранее, оригинальная методика, основанная на разработанном в диссертации алгоритме, что, в конечном итоге, позволяет повысить надежность установления соединений абонентов сети радиосвязи метрового диапазона АСУ ОН в условиях динамики нагрузки.
Впервые предложены схемотехнические решения, позволяющие реализовать модифицированную нейросеть Хопфилда, используемую в качестве решателя в процедуре формирования плана связи на коммутируемой первичной сети в условиях динамики связности и нагрузки.
Достоверность и обоснованность разработанного научно-методического аппарата подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории нейронных сетей, теории телетрафика, теории случайных процессов, математиче-
ской статистики и моделирования систем и, кроме того, подтверждается получением при определенных условиях и допущениях частного решения, являющегося результатом применения ранее известных методов.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований обусловлена тем, что они доведены до уровня схемотехнических решений и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение комплекса управления связью (КУС) АСУ ОН процедуры оперативной корректировки плана (реконфигурации) организации первичной сети связи в условиях динамики связности и нагрузки. Использование данных результатов позволяет внедрить в перспективную радиосеть АСУ ОН процедуру оперативной реконфигурации первичной сети радиосвязи, а также получить выигрыш в надежности установления соединений между абонентами радиосети связи АСУ ОН в условиях динамики топологии и нагрузки в целом до 10% по сравнению с применяемой в настоящее время процедурой динамической маршрутизации.
Результаты работы реализованы:
В ЗАО «НИВЦ АС» в рамках ОКР «Отлучка» при разработке алгоритма управления коммуникационным ресурсом в ССС специального назначения при реализации функции оперативного формирования типовых подсетей (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 08.09.2010г.).
В МОУ «ИИФ» при разработке системотехнических решений подсистемы перераспределения коммуникационного ресурса автоматизированного узла связи сети 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: 17 НТК различного уровня, в том числе 8 Международного уровня, 5 Всероссийского уровня, 4 Межрегионального уровня. Опубликованы в 29 работах, из них: 17 статей в научно-технических сборниках и журналах, две из которых опубликованы в журнале из перечня ВАК, тезисы 6 докладов, 2 отчета об ОКР, 3 отчета о НИР, 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения, изложена на 116 страницах машинописного текста. Список научных источников содержит 97 наименований.
