Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ процессов обработки тревожной информации при мониторинге безопасности объектов
1.1 Актуальность задачи мониторинга безопасности объектов 14
1.2 Анализ параметров мониторинга объектов в системе аварийно- технологической сигнализации 18
1.3 SCADA-система, как перспектива развития систем аварийно-технологической сигнализации 27
1.4 Обзор систем охранной и пожарной сигнализации 33
1.5 Анализ методов преобразования сигналов тревожной информации в радиосистемах с помехами 40
1.6 Вероятностные характеристики информационных потоков в СТС 44
1.7 Системное описание объекта исследования. Постановка научной задачи и ее декомпозиция на частные задачи 53
2. Разработка модели подсистемы сбора тревожной информации с алгоритмом двухэтапного опроса состояний объектов 63
2.1 Модель поиска сигнала тревоги в канале анализируемого объекта на основе последовательной процедуры Вальда 63
2.2 Дискретная реализация процедуры Вальда на основе реверсивных регистров сдвига
2.3 Модель подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги 77
2.4 Вероятностно-статистический расчет распределения времени обнаружения сигнала тревоги 82
3. Моделирование и расчет состава подсистемы преобразования тревожной информации 90
3.1 Описание предлагаемой структурной модели подсистемы преобразования тревожной информации 90
3.2 Расчет распределения значений напряжения на конденсаторах устройств выборки и хранения 95
3.3 Моделирование подсистемы преобразования тревожной информации как системы массового обслуживания 100
3.4 Алгоритм графо-аналитического расчета состава структуры ППТИ
4. Моделирование подсистемы помехоустойчивого кодирования информации. обоснование метода обработки информации в интегрированной СТС 113
4.1 Обоснование метода помехоустойчивого кодирования сигналов тревожной информации для передачи по каналу связи ИЗ
4.2 Алгоритм расчета среднего времени передачи сигнала тревоги в подсистеме помехоустойчивого кодирования
4.3 Описание метода обработки информации в интегрированной СТС 126
4.4 Пример решения задачи оптимизации состава интегрированной СТС 132
4.5 Предложения по схемотехнической реализации результатов исследования
Заключение 155
Список использованных источников
- Анализ параметров мониторинга объектов в системе аварийно- технологической сигнализации
- Дискретная реализация процедуры Вальда на основе реверсивных регистров сдвига
- Расчет распределения значений напряжения на конденсаторах устройств выборки и хранения
- Алгоритм расчета среднего времени передачи сигнала тревоги в подсистеме помехоустойчивого кодирования
Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность задачи обеспечения безопасности объектов промышленного и гражданского назначения особенно возрастает на современном этапе социально-экономических преобразований и развития производительных сил, когда из-за трудно предсказуемых социальных, техногенных и экологических последствий чрезвычайных ситуаций возникает угроза самому существованию человеческого общества. От аварий на опасных объектах ежегодно в России получают вред около 200 тыс. человек, а погибает в результате аварий и катастроф более 50 тыс. человек. Общий экономический ущерб от чрезвычайных ситуаций техногенного характера превышает 2,0 млрд. руб. в год, а размер экологического ущерба трудно поддается исчислению.
Решение задачи совершенствования системы управления безопасностью объектов подразумевает разработку и реализацию комплекса мер по созданию программно-технических и информационно-аналитических средств обеспечения мониторинга состояния безопасности объектов в реальном масштабе времени. В состав комплексной системы безопасности, согласно ГОСТ Р 537042009, входят следующие технические подсистемы: дежурно-диспетчерская; производственно- технологического контроля; охранной и тревожной сигнализации; пожарной сигнализации; контроля и управления доступом; теле/видеонаблюдения и контроля; связи с объектом; защиты информации и др. Часть данных подсистем можно интегрировано рассматривать как систему тревожной сигнализации (СТС).
Объектом исследования являются интегрированные системы тревожной сигнализации, которые, в соответствии с ГОСТ Р 50775-95, можно определить как совокупность совместно действующих технических средств для обнаружения сигналов технологических аварий, пожара или нарушений охраны объектов, а также многоканального сбора, обработки, передачи и представления тревожной информации в заданном виде.
Для дистанционной передачи информации о состоянии контролируемых объектов используются телеметрические системы (ТМС), значительный вклад в теорию и практику создания которых внесли отечественные и зарубежные ученые Ильин В.А., Назаров А.В., Фремке А.В., Бэйли Д., Хаусли Т. В отличии от традиционных телеметрических систем, разделяемых по способу получения информационных сигналов на системы телесигнализации и телеизмерения, предлагаемая СТС отражает процесс интеграции существующих классов ТМС: сигнал тревоги формируется и измеряется только в случае превышения контролируемым параметром объекта установленного порогового уровня. В интегрированной СТС случайными величинами являются моменты формирования сигнала тревоги (входной поток заявок) и уровни данных сигналов (поток обслуживания заявок).
В настоящее время достигнуты значительные практические результаты в области моделирования и оптимизации отдельных процессов обработки информации в подсистемах СТС. Вместе с тем, на уровне выработки решений при сборе, преобразовании и кодировании тревожной информации в интегрированной СТС, как многоуровневой кибернетической системе, принципы системного анализа используются недостаточно.
Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.
Первая группа факторов - наличие ряда практических противоречий между постоянно возрастающими требованиями служб безопасности к пропускной способности СТС и ограниченными возможностями системы по своевременной и достоверной обработке и передаче информации вследствие наличия ошибок обнаружения сигналов тревоги, погрешностей их преобразования и помех в линии связи, а также технологических ограничений на состав СТС.
Вторая группа факторов определяет наличие противоречия в теории между необходимостью учета влияния условий и точности обработки информации, внешней среды и ограниченности состава подсистем СТС на функциональные показатели всей системы и отсутствием результатов системного анализа, синтеза и оптимизации многоканальных интегрированных СТС, как сложных многоуровневых систем. Причиной данного противоречия является недостаточное развитие научно-методического аппарата (НМА) постановки и решения задач моделирования и оптимизации алгоритмов обработки тревожной информации и состава подсистем в структуре СТС.
Предмет диссертационных исследований - научно-методический аппарат обработки информации в интегрированной СТС, элементами которого являются методы решения задач моделирования и оптимизации объекта исследования, реализуемые в виде результатов: моделей, методик, алгоритмов и программ.
В предлагаемой диссертации основное внимание уделено рассмотрению особенностей методов системного анализа, моделирования и оптимизации состава СТС, как многофазной системы массового обслуживания (СМО).
Цель диссертационных исследований - обеспечение требований к своевременной обработке и передаче информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с учетом ошибок обнаружения сигналов, погрешностей их преобразования и воздействия помех, а также наличия технологических ограничений на структуру СТС.
Научная задача исследований состоит в разработке метода и алгоритмов обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с целью обеспечения требований к своевременной обработке и передаче сигналов тревоги на основе системного анализа и синтеза СТС с учетом условий и точности обработки информации, воздействия внешней среды и ограниченности ресурсов.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
-
Аналитическое и схемотехническое моделирование подсистемы сбора тревожной информации (ПСТИ).
-
Моделирование и расчет состава подсистемы преобразования тревожной информации (111 ІТИ).
-
Моделирование подсистемы помехоустойчивого кодирования информации (ППКИ).
-
Оптимизация состава подсистем интегрированной системы тревожной сигнализации при ограниченном времени обработки информации.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы системного анализа, теории массового обслуживания, исследования операций, имитационного моделирования и случайных процессов.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате математического программирования и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов подтверждена результатами имитационного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
Впервые на основе сочетания процедуры последовательного анализа Вальда и тактики линейных автоматов (в виде реверсивных регистров сдвига) предложена модель подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги в многоканальной системе.
-
Разработаны модель подсистемы преобразования тревожной информации в виде п-канальной (по числу преобразователей) системы массового обслуживания с ограниченной (по числу устройств выборки-хранения) очередью и алгоритм графо-аналитического расчета количеств преобразователей и УВХ, обеспечивающий максимальную пропускную способность подсистемы при заданных временных и технологических ограничениях.
-
Предложены модель подсистемы помехоустойчивого кодирования информации с алгоритмом расчета среднего времени передачи, позволяющие оптимизировать распределение энергии сигнала между разрядами тревожной информации, при котором дисперсия канальной ошибки и загруженность канала связи достигают минимального значения.
-
Разработан метод обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с оптимизированным для обеспечения максимальной пропускной способности составом подсистем, базирующийся на сочетании моделей теории массового обслуживания и алгоритма динамического программирования.
Практическая значимость диссертации заключается в том, что результаты исследований применимы в решении актуальной задачи обеспечения своевременности и достоверности передачи тревожных сообщений на базе существующей аппаратуры аварийно-технологической, охранной и пожарной сигнализаций, при совершенствовании программного обеспечения для SCADA- систем, а также при разработке перспективных систем тревожной сигнализации проектными и научно-исследовательскими организациями в рамках НИР и ОКР. Научные результаты отработаны до схемных решений (в виде структурных или функциональных электрических схем) на уровне изобретений и полезных моделей, на которые получены 10 патентов Российской Федерации.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
-
-
Модель подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного последовательного анализа состояний объектов с уменьшенным в полтора раза средним временем обнаружения сигнала тревоги в многоканальной системе тревожной сигнализации.
-
Структурная модель и алгоритм расчета состава подсистемы преобразования тревожной информации, как системы массового обслуживания с ограниченной очередью, позволяющие максимизировать пропускную способность СМО при оптимизации соотношения количеств измерительных каналов, устройств выборки и хранения, а также преобразователей с учетом временных и технологических ограничений.
-
Модель подсистемы помехоустойчивого кодирования с алгоритмом расчета среднего времени передачи оцифрованных сигналов тревожной информации по каналам связи, обеспечивающие повышение помехозащиты и пропускной способности за счет динамического управления длительностями разрядов и сообщений в целом.
-
Метод обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с оптимальным составом элементов в подсистемах СТС, рассчитанным на основе алгоритма динамического программирования, модифицированного к особенностям многофазных систем массового обслуживания и обеспечивающего максимальную пропускную способность при заданных временных и технологических ограничениях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й Международной научно-практической конференции (НПК) «Информационные системы, технологии и модели управления производством» (Ставрополь, СтГАУ, 2007), Международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, СевКавГТИ, 2009), 9-м Московском международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009), Международной научной конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и защиты населения в чрезвычайных ситуациях» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2010), 13-м Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» (Москва, 2010), 1-й международной НПК «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2010), Международной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, ТПУ, 2011), Всероссийской научной конференции «Системотехника-2011» (Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2011), Всероссийских научных школах «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» и «Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2011), 15-й региональной НТК «Вузовская наука - СевероКавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2011).
Публикации. Полученные автором результаты достаточно полно изложены в 28 научных работах, среди которых: 7 статей, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК РФ («Информационные системы и технологии», «Вестник СевКавГТУ», «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», «Обозрения прикладной и промышленной математики»); статья в журнале «Информационные технологии моделирования и управления»; 9 тезисов докладов на научных конференциях; 10 патентов Российской Федерации на изобретение и полезные модели; свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Реализация результатов исследования:
в учебном процессе - при подготовке учебного пособия «Многоканальные измерительные системы для мониторинга безопасности объектов», а также учебно-методических материалов по дисциплинам в филиале Московского государственного университета приборостроения и информатики (акт о реализации от 19.12.2011 г.) и Северо-Кавказском государственном техническом университете (акт реализации от 5.03.2012 г.);
в войсковой части 2597 - при конструировании изделия «КПРС-А» на этапе выбора технических решений для системы охранной сигнализации (акт о реализации от 13.12.2011 г.);
в отчетах о НИР № НК-430П-8 «Разработка теоретических основ функционирования многоканальной измерительной системы для мониторинга безопасности промышленных объектов» (2009-2011 гг.) в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;
в Системе многоканальной передачи телеметрической информации, отмеченной золотой медалью на XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» (2010 г.);
в Программном комплексе оптимизации структуры многофазной системы массового обслуживания при ограниченных ресурсах - серебряные медали на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, 2009 г.) и XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» (2010 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения. Ее основное содержание изложено на 168 страницах текста, проиллюстрировано 46 рисунками и 17 таблицами. Библиографический список содержит 137 наименований.
Личный вклад автора. В совместных публикациях лично автору принадлежит: теоретическое обоснование метода обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с использованием алгоритма динамического программирования; разработка модели подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги; схемные решения по структуре подсистемы преобразования тревожной информации с ее описанием, как системы массового обслуживания; разработка алгоритма графо-аналитического расчета оптимального состава 111 ІТИ; разработка алгоритма расчета среднего времени передачи тревожных сообщений в подсистеме помехоустойчивого кодирования с оптимальным распределением энергии сигнала между разрядами тревожной информации.
Анализ параметров мониторинга объектов в системе аварийно- технологической сигнализации
Проблема предупреждения аварийности приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химической промышленности, при эксплуатации военной техники, где используются и обращаются мощные источники энергии, экологически опасные высокотоксичные и агрессивные вещества. Специфика обеспечения безопасности крупных технологических объектов заключается в организации контроля над большими территориями и разрозненными производственными помещениями и корпусами, в создании целостности различных систем безопасности для оперативного реагирования служб охраны на возникающие ситуации.
В [32] под системой безопасности понимается «программно-технический комплекс, предназначенный для решения задач предупреждения чрезвычайных ситуаций, в том числе вызванных террористическими актами, пожарной безопасности, взрывобезопасности, охраны и оповещения людей о чрезвычайных ситуациях». Согласно стандарту [36], комплексные системы безопасности (КСБ) - это автоматизированные иерархические сложные (относительно выполняемых целевых задач и обеспечиваемой функциональной надежности) системы. Назначением КСБ является обеспечение комплексной защиты объектов от техногенных аварий, пожаров, криминальных проявлений, нештатных природно-климатических воздействий, ошибочных (случайных или преднамеренных) действий людей. Структурно КСБ объектов представляет собой алгоритмически упорядоченные и взаимосвязанные совокупности централизованно управляемых функционально самостоятельных технических подсистем конкретного целевого назначения.
Существенную роль в обосновании и практическом обеспечении комплексной безопасности предприятий должны играть современные методы анализа безопасности состояния объектов и системы мониторинга безопасности технологических процессов, как наиболее приближенные непосредственно к источникам опасности на производстве. Разработка управляющих воздействий охватывает: сбор, передачу и обработку необходимой информации, принятие решений, обязательно включающих определение управляющих воздействий. Осуществление управляющих воздействий - передача управляющих воздействий и преобразование их в форму, воспринимаемую объектом управления [52].
Под мониторингом безопасности объектов подразумевается процедура получения информации в реальном масштабе времени о состоянии технологических процессов и объектов в целом (нормальное, с опасными отклонениями, аварийное), ее обработка и передача через абонентский пункт на предприятии в ситуационно-кризисный центр (СКЦ) для принятия адекватных решений, принимаемых на основе рекомендаций центров технической поддержки. Целью мониторинга является как можно более раннее определение опасного отклонения в охране, пожарной безопасности или аварийного состояния отдельных узлов и объектов в целом, идентификация источника опасности и передача информации об этом в органы управления.
Основными задачами, которые необходимо решить для достижения цели, являются следующие: анализ технологических объектов с целью выявления основных источников опасности; разработка методик анализа и оценки нестандартных ситуаций, создание математических моделей прогнозирования их развития для оперативного реагирования на последствия возможных аварий на объекте; анализ систем контроля состояния безопасности на охраняемом объекте и определение методов и способов их совершенствования для реализации системы мониторинга безопасности процессов; разработка математического аппарата анализа отклонений параметров объекта от регламентных ограничений для определения тенденции развития аномальной ситуации, сравнения результатов анализа с базовой шкалой аварий и подготовки информации для принятия решения; использование аппарата вероятностного анализа рисков принятия решения в условиях дефицита информации и времени; разработка оптимальных способов передачи информации в рамках реализации системы мониторинга безопасности технологических процессов.
Структура системы мониторинга безопасности технологических процессов (см. рисунок 1.1) включает: Предприятие
Структура системы мониторинга безопасности объектов - систему датчиков пожарного, охранного, технологического и аварийного объектов и окружающей среды; - систему централизованного сбора и предварительной обработки информации о состоянии объекта и его узлов. Обычно это выполняется в рамках автоматизированных систем управления (АСУ) технологическим процессом (ТП), имеющихся на объектах, а также систем тревожной сигнализации (пожарной и охранной); - информационную линию связи между объектами и диспетчерскими пунктами на предприятии, предназначенными для сбора информации со всех объектов, ее обработки и передачи в ситуационно-кризисный центр; - приемо-передающую систему абонентских пунктов; - специальный канал связи для обмена данными между диспетчерскими пунктами и ситуационно-кризисным центром; - приемо-передающую систему ситуационно-кризисного центра; - рабочие места дежурных диспетчеров ситуационно-кризисного центра, обеспечивающих круглосуточное наблюдение за состоянием объектов на верхнем уровне отраслевого управления; - каналы связи между ситуационно-кризисным центром и центрами технической поддержки. Технические средства в настоящее время развиты достаточно для того, чтобы решать задачи мониторинга практически любых объектов и любых видов опасностей. Структура технических систем мониторинга практически одинакова: датчики - система сбора и обработки информации - система передачи извещений (СПИ) (включая каналы передачи) - центр мониторинга (пульт централизованного наблюдения).
Классический пример технической реализации систем мониторинга удаленных объектов - СПИ централизованной охраны, применяемые во вневедомственной охране ("Атлас-20", "Альтаир", "Приток", "Ахтуба", "Заря", "Юпитер" и др.), а также системы мониторинга и охраны подвижных объектов ("Алмаз", "Аркан", "Арго-Страж", "Приток-МПО") [75]. При этом, объем российского рынка безопасности ежегодно растет на 7-12%, число участников рынка постоянно увеличивается [76].
Помимо КСБ также существуют интегрированные системы мониторинга и управления технологическими процессами и безопасностью производства [27]. Система получает и обрабатывает сигналы вне зависимости от типа и назначения оборудования.
Под интегрированной системой безопасности (ИСБ) в [77] понимается совокупность инженерно-технических средств, организационных мероприятий и действий службы безопасности, предназначенных для защиты объекта от несанкционированных действий нарушителя. Согласно определению, предложенному в [41], ИСБ - это совокупность технических средств различных систем безопасности, реализованных на единой программной или аппаратной платформе и обеспечивающих выполнение в автоматическом режиме заранее определенных алгоритмов взаимодействия систем безопасности, а также автоматизацию работы оператора с целью снижения рисков принятия ошибочных решений и уменьшения времени реакции при возникновении внештатной ситуации на объекте.
Дискретная реализация процедуры Вальда на основе реверсивных регистров сдвига
Информация о состояниях объектов мониторинга поступает в виде технических параметров мониторинга по каналам измерительных систем в диспетчерский пункт предприятия.
Под технологическим параметром мониторинга (ТПМ) понимается показатель физического процесса, события или явления, значение или поведение которого подлежит контролю измерительной системой. ТПМ в зависимости от задач контроля объекта могут быть представлены в виде непрерывных или дискретных функций времени S(t) - измерительных сигналов.
В зависимости от целей испытания объекта измерение параметров обеспечивает [108]: получение информации о соответствии характеристик объекта мониторинга тактико-техническим требованиям; получение достаточно подробных сведений о функционировании агрегатов и аппаратуры объекта, а также о параметрах окружающей среды. В большинстве случаев оказывается достаточным знание экстремальных значений параметров, их средних величин и дисперсий, а также сведений о нахождении контролируемых процессов в пределах заданных границ.
В зависимости от характера изменения во времени ТПМ бывают: функциональными, т.е. такими параметрами, которые являются непрерывными функциями времени (например, температура в приборном отсеке, давление в баке горючего, углы отклонения рулей и др.); сигнальными параметрами, для которых характерно скачкообразное изменение во времени, например, связанное с переходом из одного дискретного состояния в другое. К ним относятся сигналы: «включено - выключено», «да - нет» и т. п.
Например, состояние оборудования тепловых электростанций (ТЭС) и ход технологического процесса оценивается по значениям непосредственно измеренных или вычисленных параметров. Информация о значениях параметров разбивается на аналоговую и дискретную. Аналоговая информация включает группы измерений, представленные в таблице 1.1.
Измерение всех перечисленных выше параметров производятся приборами, преобразующими измеряемый параметр в электрический выходной сигнал. Преимущественно используются унифицированные электрические сигналы. Технические параметры наиболее употребительных сигналов приведены в таблице 1.2. Общее количество аналоговых сигналов, используемых в программно-техническом комплексе (ПТК) энергоблока, составляет 1500-2000 [100].
Функция «Регистрация аварийных ситуаций» (РАС) предназначена для накопления и представления на экранах или печати данных о процессе возникновения, развития и ликвидации аварийных ситуаций. Функция РАС должна обеспечить регистрацию, как правило, достоверных технологических данных за период, предшествующий аварии и после ее возникновения, о работе основного и вспомогательного оборудования, действии защит, блокировок, устройств автоматического управления и персонала. Вся информация, участвующая в РАС, условно подразделяется на три группы: А - аналоговые и дискретные сигналы, характеризующие состояния объектов управления, цикл регистрации которых соответствует циклу обновления информации на экранах мониторов; Б - аналоговые и дискретные сигналы, характеризующие состояния объектов, требующие регистрации с высокой разрешающей способностью; В - инициативные сигналы срабатывания электрических и технологических защит, сигналы о событиях, связанные с воздействием персонала на объекты управления, на которые также распространяются действия технологических и электрических защит, сигналы о событиях, связанные с выходом аналоговых параметров за уставки сигнализации или срабатывания защит, а также значения аналоговых параметров по электротехническому оборудованию, требующие регистрации со сверх высокой разрешающей способностью.
Следует иметь различные по временным характеристикам регистраторы для: теплоэнергетического оборудования; электротехнического оборудования; электротехнического оборудования, связанный с поступлением сигналов предупреждения об аварии (ПА). Функция РАС для теплоэнергетического оборудования должна обеспечивать продолжительность регистрации 20-30 мин (по 10-15 мин на доава-рийном и послеаварийном периодах). Периодичность и погрешность регистрации инициативных сигналов в РАС для теплоэнергетического оборудования должны быть не более 10 мс по отношению к системному времени ПТК. Периодичность и погрешность регистрации аналоговых сигналов группы А должны быть не более 1,0 с, группы Б - не более 100 мс. Периодичность и погрешность регистрации дискретных сигналов групп А и Б должны быть не более 10 мс.
Целесообразно наличие в ПТК нескольких (например, 32) независимых регистраторов аварийных ситуаций (АС), для агрегатов и узлов ТЭС. Регистраторы могут работать одновременно и независимо и регистрировать произвольные наборы параметров, задаваемые на стадиях разработки и эксплуатации системы.
Функция РАС для электротехнического оборудования должна обеспечивать продолжительность регистрации 10,0 с (по 5,0 с на доаварийном и послеаварийном периодах). Погрешность регистрации инициативных сигналов по отношению к системному времени ПТК должна быть не более 1,0 мс. Периодичность и погрешность регистрации аналоговых и дискретных сигналов группы В должна быть не более 1,0 мс. Минимальное количество последовательно происходящих аварий (с минимальными промежутками времени между авариями), которые должны быть зарегистрированы, - не менее трех.
Функция РАС для электротехнического оборудования, связанная с поступлением сигналов ПА, должна обеспечивать продолжительность регистрации на доаварийном и послеаварийном периодах 1,0 с и 6,0 с, соответственно. Погрешность регистрации инициативных сигналов по отношению к системному времени ПТК должна быть не более 0,5-1,0 мс. Периодичность и погрешность регистрации дискретных сигналов группы В должны быть не более 0,5-1,0 мс.
Расчет распределения значений напряжения на конденсаторах устройств выборки и хранения
Для усеченной последовательной процедуры результат измерения на последнем шаге сравнивается не с двумя, а с одним порогом кс. В наиболее простом случае пороговое значение кс можно установить в средине интервала kiin maxL Т-Є к -к
Тогда при к кс принимается решение о наличии сигнала тревоги, а при к кс - сигнал об отсутствии сигнала тревоги в анализируемом канале.
При использовании тех же исходных данных для расчета порога кс по системе выражений (2.6) результаты будут несколько отличаться. Зависимости а(С) и (3(С) (где С - соответствует порогу кс) для случая /я=0,1; UB=0,2; vaow=200 рассчитаны с использованием средств Mathcad и представлены на рисунке 2.5,а. Заметим, что порог О30 обеспечивается при вероятностях ошибок а = 0,015; 3 = 0,06.
Результаты расчета порогового уровня С=кс Для получения того же порогового уровня С=30, что и в предлагаемой методике расчета кс с заданными вероятностей ошибок а = (3 = 0,1 потребуется увеличить допустимый объем выборки до значения vdon = 241 и снизить верхний пороговый уровень UB=0,\6 (см. рисунок 2.5,6).
При всех очевидных достоинствах предлагаемого алгоритма его практическое применение может быть ограничено наличием следующих трудностей. Во-первых, точное определение среднего объема выборки v для последовательной процедуры Вальда представляет собой трудную задачу. Известны лишь приближенные формулы для частного случая биноминального распределения [43, 53, 58], но без оценок точности этих приближений. Во-вторых, поскольку при последовательном анализе размер выборки - величина случайная, то ее значение может быть значительно больше ожидаемого среднего. Требуется усечение последовательной процедуры некоторым допустимым значением выборки vdon, но аналитическая оценка ошибки усечения последовательной процедуры представляется затруднительной.
Дискретная реализация процедуры Вальда на основе реверсивных регистров сдвига С технической точки зрения реализация алгоритмов последовательного анализа Вальда в их чистом виде затруднительна, так как связана с построением непрерывных накопителей (например, устройств выборки и хранения на конденсаторах) - сложных и неустойчивых в работе устройств.
С учетом перспектив развития цифровой техники более простыми и надежными оказываются устройства с квантованием сигнала и накопителями дискретного типа. Данные накопители с математической точки зрения представляют автоматы с линейной тактикой [98], а технически могут быть реализованы на базе реверсивных регистров (РР) сдвига [133].
Как и в предыдущем подразделе, анализ состояния объекта реализуется методом интервального оценивания, т.е. путем сравнения результатов измерения с двумя уровнями: нижним Uн и верхним Uв, причем они расположе 72 ны симметрично порогового уровня Un на равном расстоянии, т.е.
Рассмотрим в качестве системы обнаружения сигнала тревоги цифровое накопительное устройство в виде реверсивного регистра сдвига, имеющего d +1 состояний (по числу элементов памяти), пронумерованных от 0 до d. В каждом состоянии j [j = О, d) по принятому сигналу Uх вычисляется логарифм отношения правдоподобия гипотеза об отсутствии сигнала тревоги; Нх - гипотеза о наличии сигнала тревоги; W\X\HQ), W\X\HX) - условные плотности вероятностей величин X при соответствующих гипотезах Н0, Нх.
Если окажется, что Л U в, то реверсивный регистр из состояния j переходит в состояние j +1 (число логических «единиц» в ячейках памяти РР увеличивается); если Л Uн, то регистр из состояния с номером j переходит в состояние j -1 (содержание ячеек памяти РР уменьшается на одну логическую «единицу»); если же Uн A UB,TO регистр остается в состоянии/
Движение начинается из состояния j0. Состояния 0 (отсутствуют «единицы» в РР) и d (все ячейки памяти РР заполнены логическими «единицами») являются конечными: достижение состояния 0 приводит к решению в пользу гипотезы Н0, достижение состояния с номером d - к решению в пользу гипотезы Нх (см. рис. 2.6).
Поведение такого регистра полностью описывается заданием графа (рис. 2.7), число вершин которого равно числу состояний РР d +1, а веса ребер графа соответствуют вероятностям переходов, которые могут быть вычислены, если известны плотности вероятностей величины Л при гипотезах #0 и Нх [67].
Алгоритм расчета среднего времени передачи сигнала тревоги в подсистеме помехоустойчивого кодирования
По количественному соотношению измерительных каналов и анало го-цифровых преобразователей различают облегченный и избыточный типы структуры подсистемы преобразования тревожной информации. Предлагает ся промежуточный вариант построения схемной модели ППТИ: количество устройств выборки и хранения не превышает числа каналов, количество ана лого-цифровых преобразователей не превышает числа УВХ. В качестве ос новы для построения преобразователя предлагается рассмотреть АЦП с двой ным интегрированием. Реализация схемы многоканальной ППТИ позволяет значительно сократить аппаратурные расходы на преобразователи.
Конденсатор УВХ заряжается в течение фиксированного времени до напряжения, пропорционального величине выброса над пороговым уровнем. Время разряда конденсатора является величиной случайной, зависящей от уровня его заряда, т.е. от значения величины выброса контролируемого па раметра над пороговым уровнем. По результатам исследования положитель ных выбросов над высокими уровнями \Un »ст показано, что напряжение заряженного конденсатора, а, следовательно, время его разряда имеют распределения, близкие к экспоненциальному закону.
Учитывая случайный характер сигналов тревоги, представляющих собой поток заявок с пуассоновским законом распределения (см. п. 1.6), ППТИ можно моделировать как «-канальную систему массового обслуживания с ограниченной (по количеству УВХ) очередью. Время обслуживания заявок соответствует времени разряда конденсатора УВХ. Аналитические модели ППТИ, как СМО, представлены выражениями (3.31) - для среднего времени ожидания заявки в очереди, зависящего от времени заряда конденсатора УВХ, и (3.34) - для вероятности обслуживания заявки (относительной пропускной способности системы), зависящей от параметров АЦП.
4. Для нахождения оптимального состава элементов подсистемы преобразования тревожной информации, в частности, количеств УВХ и АЦП в подсистеме преобразования тревожной информации предлагается алгоритм графо-аналитического расчета с использованием номограмм. Исходными данными для расчета являются допустимое время ожидания заявки в очереди, зависящее от погрешностей преобразования и величины ошибочного конденсатора УВХ, а также технологические ограничения, включая стоимостные характеристики элементов ППТИ. В качестве целевой функции используется максимизируемый показатель пропускной способности ППТИ -вероятность обслуживания заявок (преобразования сигналов тревоги).
Обоснование метода помехоустойчивого кодирования сигналов тревожной информации для передачи по каналу связи Существенную долю информации, передаваемой по каналам связи, составляют дискретные отсчеты аналоговой информации. К числу наиболее распространенных источников подобной аналоговой информации относятся результаты измерений или команды на установку значений аналоговых величин в различных системах телеконтроля и телеуправления, включая системы телесигнализации. При этом показатели достоверности и своевременности приема отдельных бит или блоков являются лишь промежуточными характеристиками, причем неоднозначно связанными с качеством приема аналоговых сообщений, зависящих также от алгоритмов кодирования и декодирования источника.
В случае равномерного распределения уровня /-го отсчета сигнала в интервале ut є [- U, + U\ ошибка его квантования е будет также распределена равномерно, а дисперсия ошибки равна [109]: где Аи = 211/Ккв - шаг квантования; Ккв - количество уровней квантования; е) - плотность вероятности ошибки квантования, причем для равномерной плотности W{e) = 1/Дй ошибка находится в интервале а є [- Аи /2; Аи /2].
Для нормированного интервала ut є [-1; +1] шаг квантования равен где г - максимальная разрядность минимального двоичного кода, используемого для представления отдельных отсчетов в двоичном исчислении, а дисперсия ошибки квантования а =1/(з-4 - )=4/(з.4 ). (4.2) Из выражения (4.2) следует, что чем больше разрядность г двоичного кода, тем меньше дисперсия ошибки квантования.
При передаче кодированного сообщения по каналу связи на сигнал накладываются помехи, которые при декодировании способствуют возникновению канальных ошибок. Предполагая ошибки при приеме символов независимыми, запишем вероятность того, что кодовая комбинация, соответствующая г-му отсчету аналогового сигнала, принимается хотя бы с одной ошибкой (при условии грош «1) [110]: где рош - вероятность ошибочного приема (ошибочного распознавания в декодере) одного символа кодовой комбинации.
Ошибка в младшем разряде к = 0 (где к г) вызывает погрешность в выходном сообщении, равную шагу квантования Аи; ошибка во втором символе (разряде) вызывает погрешность, равную 2АЦ, и т.д. При этом дисперсия канальной ошибки для нормированного интервала, обусловленная наличием помех, определяется выражением [ПО]:
Из (4.4) видно, что наиболее уязвимыми с точки зрения воздействия помех в канале являются старшие разряды кодированной информации. При подавлении помехой только старшего разряда к = г -1 или импульса второго по старшинству разряда составляющие дисперсии канальной ошибки с учетом (4.4) соответственно равны:
Похожие диссертации на Разработка метода и алгоритмов обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации
-
-
-
