Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование принципов применения инфокоммуника ционных систем в нефтегазовой промышленности 13
1.1. Анализ нефтегазовой промышленности в Республике Йемен и перспективы ее развития 13
1.2. Основные задачи создания инфокоммуникационных систем телемедицины в нефтегазовой отрасли 20
1.3. Повышение эффективности оказания телемедицинских услуг в нефтегазовой промышленности 23
1.4. Современные тенденции и факторы развития телемедицины 25
1.5. Концепция развития телемедицинских систем 29
для удаленных районов 29
1.6. Анализ существующих структурных решений, 33
используемых при проектировании телемедицинских систем 33
1.7. Основные проблемы передачи данных в телемедицинских системах 35
1.8. Стандарты протоколов передачи информации 37
1.9. Коммуникационные сети телемедицины 41
1.10. Выводы 48
2. Математические модели маршрутизации в телемедицинских сетях (ТМС) 49
2.1. Основные понятия и определения 49
2.2. Решение задачи оптимальной маршрутизации по критерию средней задержки 51
2.3. Решение задачи оптимальной маршрутизации по критерию загруженности сети 59
2.4. Выводы 66
3. Синтез структур телемедицинских сетей (ТМС)
3.1. Функциональное описание базовых компонентов телемедицинских информационных систем 67
3.2. Синтез структуры абонентских телемедицинских сетей (АТМС) 71
3.3. Синтез структуры магистральных телемедицинских сетей 79
3.4. Синтез пропускных способностей МС 86
3.5. Выводы 97
4. Синтез абонентских сетей по стоимостным критериям 98
4.1. Обоснование совместного использования проводной и спутниковой связи при синтезе абонентской ТМС республики Йемен 98
4.2. Анализ стоимостных критериев при выборе между проводной и спутниковой связью 103
4.3. Выводы 109
Заключение ПО
Список литературы
- Повышение эффективности оказания телемедицинских услуг в нефтегазовой промышленности
- Основные проблемы передачи данных в телемедицинских системах
- Решение задачи оптимальной маршрутизации по критерию загруженности сети
- Анализ стоимостных критериев при выборе между проводной и спутниковой связью
Повышение эффективности оказания телемедицинских услуг в нефтегазовой промышленности
Йемен имеет значительный потенциал как производитель и экспортер природного газа. Запасы природного газа по разным источникам составляют около 17 триллионов кубических футов [13, 14]. Большая часть запасов газа сконцентрирована в месторождении Мареб-Альгуф, разрабатываемом Yemen Exploration and Production Company(YEPC).
Нефтеразведочные работы в Йеменской республике до объединения проводились как в северной, так и в южной частях страны.
В северной части ИР основные нефтеразведочные работы проводились в двух районах: на прибрежной равнине Тихама (на Красном море) и в Ма-ребе [15]. В 1952 г. в районе Тихамы немецкими геологами была проведе-нагеологическая разведка района. В 1952-1954 гг. компании Prakia и Deilman провели гравиметрическую и магнитную съемки вблизи побережья. Были обнаружены признаки нефти, а также соляные куполы, которые являются хорошими флюидоупорами.
В 1955 г. немецкая компания F. Кгарр, осуществляя разведку Йеменских высот, нашла битуминозные сланцы в верхнеюрских и кайнозойских отложениях. Таким образом, специалисты компании пришли к выводу, что скопления углеводородов могут встречаться в различных местах страны.
В 1961-1962 гг. на основании данных компаний Prakia и Deilman компания John W.Mecom пробурила первую скважину Салиф 1, а затем Салиф 2, Ходейда 1, Зайдиея 1 и Ходейда 2. На последних двух скважинах обнаруже 15 ны признаки газа и нефти. Бурение приостановлено по техническим причинам. Согласно последним сейсмическим данным, скважины были пробурены в неблагоприятных структурных условиях. Политическая нестабильность, последовавшая за установлением республики в 1962 г., временно приостановила поиск нефти в стране [16].
С 1970 г. по 1979 г. компания Shell Oil провела разведку в районе Ти-хама и пробурила первую в Йемене морскую скважину Катиб 1 на глубину 2460 м. Хотя при опробовании скважины было обнаружено наличие газа, бурение было приостановлено в связи с высоким геотермическим градиентом на площади. В 1980-1981 гг. были пробурены еще две скважины, давшие признаки газа. Однако компания отказалась от дальнейших работ.
В районе Мареб. Компания Hunt Oil начала проводить геологические работы, начиная с 1981 г. В июле 1984 г. компания пробурила первую разведочную скважину Алиф 1, которая давала приток нефти 7831 барр./сутки. С тех пор здесь были открыты одиннадцать промышленных месторождений. Из них Аэал, Сайф, Нугум, Ассаад и Аль-Камил дали одновременно нефть и газ, а остальные только газ (например, Лам и Меем).
В южной и восточной части страны нефтеразведочные работы, начавшиеся в конце 50-х и начале 60-х годов, главным образом в районе северного Хадрамаута, были основаны на тогдашнем убеждении, что район является южным бортом впадины Руб-Эль-Хали, которая принадлежит Персидскому "Аравийскому" НГБ, характеризуется большой толщиной осадочного чехла и богата нефтью, как например в Саудовской Аравии и в странах Персидского Залива. Были проведены сейсморазведочные исследования нефтяными компаниями: Ирак Петролеум Консишен (1960 г.), Пан Амсрикэн Интер-нейшнл Ойл Компави (1961 г.), Пан Америкэн Махрат Оил Компани (1961-1967 гг.) и Пан Америкэн Хадрамауг Ойл Компани (1963-1968 гг.). Однако работы, проводящиеся в этом районе, не принесли эффективных результатов, а потребовали более тщательных исследований с использованием последних высокоэффективных технологий.
В середине 70-х годов резко активизировались нефтепоисковые работы на шельфе Аденского Залива. Эта активизация в значительной степени определялась резким повышением интереса к освоению ресурсов нефти и газа на шельфах морей и океанов во всем мире.
В течение 70-х годов по всей территории были проведены многие геолого-геофизические исследования: аэромагнитные, гравиметрические и сейсмические. Они проводились в основном компаниями CGG и В/О "Зару-бежгеология", в результате чего были построены карты разных масштабов.
В 80-х годах на шельфе Аденского Залива итальянская фирма AGIP провела разведочные работы, пробурила 8 скважин, все из которых дали притоки нефти или газа. Наиболее перспективной оказалась скважина Шарма, на которой были опробованы три различных зоны. Из одной из этих зон получены притоки тяжелой нефти, тогда как притоки легкой нефти (40,5 АПИ) из олигоценовой формации Гайда составили 300 барр./сут. Эоценовая формация Хабшиият дала притоки нефти 1800 барр./сут. После кислотной обработки дебит увеличился почти вдвое, но даже при таких показателях месторождение было признано непромышленным.
С 1984-1985 гг. советской компанией "Техно-экспорт" в результате комплексной интерпретации геофизических материалов в пределах района Шабва были выявлены и подготовлены под глубокое поисковое бурение структуры Шабва, Восточный Аяд, Амаль, Западный Аяд и ряд других структур. Это привело к открытию трех нефтяных месторождений: Восточный Аяд, Западный Аяд и Амаль. Получение этих практических результатов привлекло внимание нефтяных компании к территории и шельфу южной части страны, благодаря чему уровень оценки нефтегазового потенциала страны значительно повысился [17].
Основные проблемы передачи данных в телемедицинских системах
На сегодняшний день, несмотря на стремительное развитие телекоммуникационных технологий, достаточно актуальными остаются вопросы по обеспечению требуемого уровня качества обслуживания (Quality of Service, QoS) в телекоммуникационных сетях (ТКС) [58]. Высокие значения показателей QoS невозможны без эффективного решения задач сетевого уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). При этом основной задачей данного уровня является задача маршрутизации [7].
В сетях телекоммуникаций, построенных по стандартам модели OSI (Open System Interconnection) взаимодействия открытых систем, любая оконечная система может обмениваться с любой другой оконечной системой. Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям. Для того чтобы переместить пакеты от одной оконечной системы к другой сетевой уровень должен определить путь или маршрут следования пакетов. Этим занимается протокол маршрутизации [59].
Задача маршрутизации возникает при необходимости передачи пакета данных из одной сети в другую. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Довольно часто в компьютерной литературе дается следующее обобщенное определение маршрутизатора: «маршрутизатор - это устройство сетевого уровня эталонной модели OSI, использующее одну или более метрик для определения оптимального пути передачи трафика данных на основании информации сетевого уровня» [60]. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю в другой сети, нужно совершить несколько транзитных передач между сетями. Таким образом, путь передачи представляем собой последовательность узлов, через которые проходит пакет.
Выбор маршрутов в узлах связи телекоммуникационной системы производится в соответствии с реализуемым алгоритмом (методом) маршрутизации. Алгоритм маршрутизации - правило назначения выходной линии связи данного узла телекоммуникационной системы для передачи пакета, базирующегося на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя) и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, телекоммуникационной системы в целом.
Протоколы маршрутизации находятся в постоянном совершенствовании. Замечено, что наиболее активной тенденцией развития подобных протоколов является направление поддержки функций многопутевой маршрутизации. Реализация данной функции на практике позволяет осуществлять балансировку нагрузки на сетевые элементы: маршрутизаторы, каналы связи ТКС за счет рационального выбора путей прохождения трафика через сеть и распределение трафика по каналам. Применение технологии балансировки нагрузки позволяет эффективно использовать ресурсы сети и оптимизировать решение задачи маршрутизации с учетом количества и производительности маршрутизаторов, структуры сети (ее топологии и пропускных способностей каналов), и тем самым обеспечивает улучшение показателей QoS.
В работах [6-9] приводится достаточно подробная классификация алгоритмов маршрутизации Согласно [6] под фиксированной (неразветвлен-ной, однопутевой) маршрутизацией будем понимать такую процедуру выбора маршрутов, при которой для передачи данных от узла-источника узлу-адресату используется единственный маршрут Если в процедуре выбора маршрутов разрешается использовать более одного пути, то она называется альтернативной (разветвленной, многопутевой).
Очевидно, что в общем случае альтернативная маршрутизация предпочтительнее, чем фиксированная, так как она более полно использует ресурсы сети передачи данных, однако фиксированная маршрутизация намного проще для реализации и в ряде случаев (например, при низкой загрузке сети) при ее использовании качество функционирования сети может оказаться очень близким к варианту с реализацией альтернативной маршрутизации. Частный случаем альтернативной маршрутизации является маршрутизация с ограничением на число исходящих линий (К), используемых для передачи данных из каждого узла узлу-адресату Назовем такую маршрутизацию К-путевой. Данная маршрутизация достаточно проста для реализации (проще, чем полностью альтернативная) и в более полной мере, чем фиксированная, использует ресурсы сети.
Современные телемедицинские подходы позволяют проводить удаленные консультации врачей и их пациентов, находящихся в самых отдаленных районах. Предоставление услуг осуществляется представителями всех медицинских специальностей с использованием инфокоммуникационных технологий после получения информации, необходимой для диагностики, лечения и профилактики заболевания. Инфокоммуникационные системы предполагает организацию телекоммуникационной и компьютерной сети, обеспечивающей транспорт информационных потоков и большую скорость решения задачи маршрутизации на основе балансировки нагрузки этих потоков между объектами системы.
При проведении телемедицинской консультации необходимо принимать во внимание следующие особенности телемедицинских сетей. Данные критичны к задержкам при передаче, поэтому должны доставляться в реальном времени; данные теряют актуальность и становятся бесполезными, если не доставляются вовремя; неравномерность (скачкообразность) задержек при доставке отдельных пакетов информации может существенно ухудшить качество воспроизведения, поэтому должна быть минимальной.
Важным направлением исследований в области передачи информации в ТМС является анализ и решение задач, связанных с минимизацией задержки и распределением нагрузки с помощью моделей маршрутизации. Проблемы маршрутизации присутствуют в сетях любого типа как в сетях коммутации пакетов и сообщений, так и в цифровых сетях коммутации каналов. Конкретная реализация алгоритма маршрутизации существенно зависит от специфических особенностей сети, но в целом для различных сетей используется достаточно похожий математический аппарат - алгоритмы кратчайшего пути и потоковые алгоритмы, применяемые к потоковым моделям сетей, основанных на интенсивностях трафика, поступающего в линии связи. В потоковых моделях делается неявное предположение, что статистика трафика, поступающего в сеть, не меняется во времени. Такое допущение является разумным, когда эта статистика меняется очень медленно по сравнению со средним временем, необходимым для уменьшения очередей в сети, и когда потоки в линиях измеряются путем временного усреднения [2].
Решение задачи оптимальной маршрутизации по критерию загруженности сети
Для решения поставленной задачи нахождения оптимальных пропускных способностей магистральных каналов будем использовать рассмотренную в главе 2 работы модель МС с альтернативной маршрутизацией сообщений. В общем случае МС может состоять из п узлов коммутации и М каналов. С учетом возможности разделения каждого канала на т линий связи обозначим информационные потоки по каналам в виде фІк,і = г = \,М;к = \,т. Оптимизацию функционирования сети можно производить по критериям средней задержки сообщения Т и максимальной загруженности Тх сети [59].
Сформулируем задачу оптимальной маршрутизации. По заданной топологической структуре ИС, значению входного потока у и матрице про пускных способностей Chk, i = l,M;k = l,m необходимо найти оптимальные значения потоков \\(ptk\\. Минимизацию можно производить по двум вышеуказанным критериям Т и Тх: где Е- множество каналов связи; і - узел-источник; j - узел-адресат; / = г и / = j характеризуют соответственно узел-вход и узел-выход.
Изображенная на рис.3.10 магистральная сеть республики Йемен состоит из /7 = 18 узлов и М = 26 каналов связи. При условии формирования поступающей нагрузки в виде безприоритетного трафика входные потоки от абонентов CXj,j = \,п должны быть переданы через соответствующие узлы к
РУК. При этом необходимо минимизировать критерий (3.7) при выполнении ограничений (3.8) и (3.9) [74]. Для получения запаса по нагрузке сети можно использовать аналогичные (3.5) соотношения. Для упрощения расчетов не будем производить разделение по линиям связи. В этом случае т = 1, а рассмотренные матрицы потоков и пропускных способностей являются одномерными массивами. Рис.3.11. Топология МС республики Йемен
Массив номеров каналов, связывающих УК Для решения поставленной оптимизационной задачи необходимо пронумеровать магистральные каналы связи на рис.3.10. Результаты приведены на рис. 3.11 (номера каналов указаны в круглых скобках).
Полученный в среде Matlab массив номеров каналов, связывающих УК магистральной сети, приведен на рис.3.12. Строка і в массиве mas характеризует узел-источник, столбец і - узел-адресат. Массив необходим для формализации путей прохождения информационных потоков по сети и последующего формирования матриц ограничений.
Как уже было показано в главе 2 диссертации, задача оптимизации критерия (3.7) относится к классу задач нелинейной оптимизации функции нескольких переменных с ограничениями типа неравенств (3.8) и равенств (3.9), и ее решение может быть получено в среде MatLab с помощью функции fmincon [66]. При этом ограничения типа неравенств удобно задавать с помощью нижней и верхней границ lb, ub. При синтезе пропускных способностей магистральных каналов для оптимальной передачи информационных сообщений по магистральной сети от УК к РУК для всех имеющихся каналов нижней границей является lb=0 , а в качестве верхней границы можно взять максимальное из информационных потоков от абонентов значение
Матрицы коэффициентов условий сохранения и границ потоков Для решения задачи синтеза МС разработана программа direct, т, позволяющая найти оптимальные информационные потоки в магистральных каналах связи по критериям средней задержки сообщения Т и максимальной загруженности сети Тх. Начальное приближение разделения потоков /0 может быть определено с помощью функции linprog при вышеуказанных граничных условиях. При передаче информации в магистральной сети от УК к РУК необходимо многократно решать оптимизационную задачу для узлов-входов УК г = 1, п - Ї\ и узлов-выходов РУК і = п — і\+\,п, где пх = 2 - число региональных узлов коммутации (суперцентров) по критерию максимальной загруженности сети Тх [67]. При этом в качестве пропускных способностей всех магистральных каналов берется max Си , i-\,n, а полученные значения критериев для i = \,n\ представлены на рис.3.14.
Вышеприведенные рисунки позволяют проследить пути прохождения информационных потоков от магистральных узлов к суперцентрам и подтверждают условия сохранения потоков для каждого УК. Таким образом, предложенная модель оптимального распределения потоков в ИС позволяет на основе численных оптимизационных методов для произвольных топологии сети и количества каналов связи произвести оптимизацию по критериям средней задержки и максимальной загруженности сети [67]. Она учитывает условия сохранения потоков для промежуточных узлов сети. Оптимизация по критерию максимальной загруженности позволяет обеспечить наиболее сбалансированную загруженность каналов ТКС и повысить качество обслуживания.
Анализ стоимостных критериев при выборе между проводной и спутниковой связью
Топология (сеть) типа "точка-точка" позволяет обеспечивать прямую дуплексную связь между двумя удаленными абонентскими станциями по выделенным каналам. Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30-40%). Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Кроме того, такая сеть не требует системы управления.
Топология типа "звезда" является наиболее распространенной архитектурой построения ССС с абонентскими станциями класса VSAT. Такая сеть обеспечивает многонаправленный радиальный трафик между ЦЗС и удаленными периферийными станциями (терминалами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС - большая ЦЗС, оснащенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком.
Топология "каждый с каждым" предоставляет прямые соединения между любыми абонентскими станциями (так называемый "односкачковый" режим связи). Количество требуемых дуплексных радиоканалов равно n-(n-l), где п - число абонентских станций в сети, так что каждый узел имеет множество возможных путей соединения с другими узлами.
Системы спутниковой связи имеют ряд преимуществ: широкая полоса пропускания, малая вероятность побитовой ошибки при цифровой спутниковой передаче, устойчивость издержек независимо от числа принимающих наземных станций. Одним из наиболее современных решений по организации спутникового канала связи при передаче информации в ТМС республики Йемен является VSAT терминал, который можно использовать для передачи данных от удаленных абонентских пунктов к магистральным узлам коммутации (суперцентрам) (рис.4.3).
Анализ стоимостных критериев при выборе между проводной и спутниковой связью Для расчета тарифа проводного канала Sn (у.е.) можно использовать его степенную зависимость от расстояния между абонентским пунктом и узлом коммутации d (км) и информационного потока по каналу связи ср (кбит/с) [70]: Snp = 4,4 Jd p0 635. Для высокогорных удаленных районов республики Йемен при расчете тарифа проводного канала необходимо ввести в вышеприведенную формулу корректирующий коэффициент Кн, зависящий от высоты расположения пункта Н(м): Snp-4,4KH4dcp \ (4.1) Исходя из высоты горных районов республики Йемен для расчета коэффициента Кн можно предложить следующую зависимость:
По аналогии с главой 3 работы ограничения задачи имеют вид (3.2), характеризующий возможность подключения каждого абонента к единственному узлу коммутации, но оптимизационная задача изменяется и сводится к минимизации критерия
Методика определения полной матрицы расстояний от абонентов до узлов dfe,k = l,r; i = l,n приведена в главе 3 диссертации, а оптимизация критерия (4.4) при решении задачи целочисленного программирования может быть произведена в среде MatLab с помощью функции bintprog.
Стандартное обращение к функции выглядит следующим образом: [zl,fval] = bintprog(f, A, b, Aeq, beq), где foal - минимальное значение критерия F в (4.4); zl - булевый вектор решения, то есть его компоненты принимают значения 0 (абонент не подключен к узлу) или 1 (подключен). Матрицы ограничений типа равенств Aeq, beq формируются в соответ п ствии с соотношениями . = \,к = \,r, а их размерности равны: Aeq гхп ;
Матрицы ограничений типа неравенств А, Ъ обеспечивают невозможность подключения большого количества абонентов к одному и тому же узлу. В зависимости от того, стоимость какого подключения (проводного Sn или спутникового Scn) меньше, выбирается тот или иной тип обслуживания абонента.
Вектор решения zl удобно представить в виде массива подключений z размерностью гхп , показывающем, к какому і -му узлу подключен к-й абонент, а также способ подключения v (v = l означает подключение по проводному каналу, a v = 2 - по спутниковому). С учетом указанных обозначений полученные результаты подключения абонентов республики Йемен к магистральным узлам коммутации приведены в табл.4.2.
Таким образом, в разделе 4.2 произведен синтез структуры абонентской сети республики Йемен по стоимостному критерию с учетом возможности подключения абонентов с помощью средств проводной и спутниковой связи. Характерной особенностью метода выбора топологии абонентской ТМС, предложенного в работе, является оптимизация стоимости подключения при расположении абонентов в удаленных горных районах, что характерно для значительной части республики Йемен.
Так как предложенный метод оптимального подключения абонентов реализован на основе численных оптимизационных методов Matlab, то его можно использовать при произвольной топологии магистральной сети и любом количестве абонентов и каналов связи.
Создание телемедицинской сети в здравоохранении Республики Йемен с использованием приведенных в диссертации методов и алгоритмов синтеза абонентской и магистральной части позволяет: обеспечить доступность квалифицированной и специализированной медицинской помощи сотрудников нефтегазовых компаний, работающих в труднодоступных и удаленных районах, а также в местах возникновения чрезвычайных ситуаций; повысить эффективность управления превентивными мероприятиями в вопросах перинатальной заболеваемости и смертности; улучшить качество диагностики и лечения социально значимых заболеваний; повысить оперативность принятия решений и качество медицинской помощи при чрезвычайных ситуациях; сформировать постоянно действующую систему дистанционной подготовки и переподготовки медицинских кадров и снизить соответствующие затраты; создать единое информационное пространство в здравоохранении региона; обеспечить оперативный обмен статистической и нормативной управленческой информацией; снизить затраты на выездные консультации специалистов в районы области.
Прогнозируемый ежегодный экономический эффект от внедрения запланированных преобразований за счет ранней диагностики, своевременной коррекции лечения и сокращения сроков стационарного лечения больных (на 5% в год); снижения уровня госпитализации (на 3,3% в год), снижения потребности населения в специализированной экстренной медицинской помощи («санитарной авиации») (на 11,5% в год) за счет организации телемедицинских сеансов и возможности организации консультаций без выезда специалистов республиканских клиник в сельские районы; внедрения дистанционных форм последипломного обучения медицинских работников составит, по предварительным расчетам, 350 тыс. долларов.
