CC BY
87
исследования скважин: Труды Междунар. форума исследователей скважин и второй научно-практической конф. Институт нефтегазового бизнеса. - М.: 2004. - С. 188-196.
5. Сергеев П.В., Сергеев В.Л. Идентификация гидродинамических исследований скважин на основе метода интегрированных моделей // Доклады ТУСУР. - 2004. - № 2 (10). -С. 99-106.
6. Сергеев В.Л. Идентификация систем с учетом априорной информации. - Томск: Изд-во НТЛ, 1999. - 146 с.
7. Тарасенко Ф.П. Непараметрическая статистика. - Томск: Изд-во Томского гос. ун-та, 1975. - 292 с.
8. Пантелеев А.В., Летова ТА. Методы оптимизации в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 2002. - 544 с.
9. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1979. - 288 с.
10. Хисамов Э.И., Сулейманов Р.Г., Фахруллин Р.Г. и др. Гидродинамические исследования скважин и методы обработки результатов измерений. - М.: ВНИИОЭНГ, 1999. - 227 с.
УДК 681.3.06
АРХИТЕКТУРА И ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ С ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ
М.А. Сонькин, Е.Е. Слядников
Томский научный центр СО РАН Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Сформулированы принципы построения, предложены архитектура и общая технология функционирования интегрированных информационно-телекоммуникационных систем с пакетной передачей информации по различным каналам связи для труднодоступных объектов. Материал рассмотрен в приложении к средствам доведения данных от платформ сбора данных берегового и морского базирования до центров единой системы обработки метеоинформации.
1. Введение
С развитием информационных технологий в области цифровых методов передачи данных появилась возможность создания информационных территориальных систем, обеспечивающих высокую эффективность, оперативность, надежность и достоверность передачи данных для труднодоступных объектов [1, 2]. Применительно к технической среде и существующей технологии сбора, передачи и обработки гидрометеоинформации, используемых в настоящее время в гидрометеослужбах России и зарубежья, наиболее целесообразным, по нашему мнению, является подход, предполагающий «имплантацию» или «встраивание» пакетных режимов обмена данными по радиоканалу и спутниковым системам связи в действующие телекоммуникационные технологии гидрометеослужб [3, 4]. Такой подход с учетом широкого распространения радиосредств в качестве основных каналов связи при передачи данных от труднодоступных метеостанций (ТДС) в кустовые или региональные центры сбора данных (ЦСД) требует создания технологий комплексного использования различных каналов связи путем интеграции соответствующих аппаратных и программных средств.
Для реализации технологии комплексного использования радиоканала в сочетании с другими каналами связи разработано семейство унифицированных аппаратно-программных терминалов [3, 4], обеспечивающих надежную документированную связь по проводным, спутниковым и радиоканалам.
Способность встраиваться в действующую технологию информационного обмена, используемую в гидрометеослужбе, обеспечивает сквозную технологию доставки гидрометеоинформации. Используемые микропроцессорные терминалы имеют возможность стыковки со стандартной аппаратурой, применяющейся для автоматической регистрации метеоданных. Такие аппаратно-программные терминалы стали базовым компонентом для создания автоматизированных рабочих мест оператора ТДС.
Целью настоящей работы является формирование предложений по архитектуре и сквозной технологии функционирования интегрированных ин-формационно-телекоммуникаионных систем с пакетной передачей информации по различным каналам связи для доведения данных от платформ сбора данных (ПСД) берегового и морского базирования до центров единой системы обработки метеоинформации.
По оценкам экспертов и специалистов «ВНИИ гидрометеорологической информации - мировой центр данных» Росгидромета - полных аналогов данной продукции в России и странах СНГ нет, а зарубежные комплексные решения неприемлемы в данной отрасли [5]. Чаще всего в состав современного автоматического информационно-измерительного комплекса (ИИК), осуществляющего измерение параметров окружающей среды, входит контроллер на базе микропроцессора. Разработчики интеллектуальных ИИК, как правило, одновременно решают задачу передачи данных по линиям
(каналам) связи в компьютер, выполняющий функции ЦСД от нескольких ИИК. В некоторых случаях обеспечивается дальнейшее автоматическое распространения принятой информации по сетям потребителей, в т.ч. по сети телесвязи Росгидромета. Существующие ЦСД не в полной мере отвечают требованиям системы сбора и доведения данных до центров единой системы исследования мирового океана (ЕСИМО), так как не решают весь комплекс задач. Поэтому подсистему сбора и накопления первичных данных единой системы обработки метеоинформации целесообразно строить на базе сквозной технологии.
Актуальность создания подобных систем обусловлена крайней необходимостью в совершенствовании существующей технологии сбора первичной гидрометеоинформации в труднодоступных районах (метеостанции, гидропосты), оперативного формирования необходимых форматов гидрометеоданных и своевременной их передаче в контрольные сроки заинтересованным службам и ведомствам, а также в мировую сеть метеоданных. Разрабатываемые в соответствии с этими целями и задачами аппаратные и программные компоненты отличаются от существующих систем технологической новизной и обеспечивают автономный сбор и передачу гидрометеоданных (в специализированных форматах по шаблонам или в произвольной форме) на уровнях метеостанций (гидропостов), локальных центров сбора метеоданных.
2. Технические требования к интегрированным
информационно-телекоммуникационным системам
сквозной технологии сбора данных
Основная цель построения сквозной технологии - организация автоматизированного сбора информации от обслуживаемых и автоматических ПСД наземного и морского базирования и доведения ее до центров единой системы обработки метеоинформации.
Технология должна обеспечить сбор данных в различных режимах: по инициативе ПСД, по запросу из ЦСД, по запросу из центра единой системы обработки метеоинформации. Технология должна обеспечить возможность управления режимами работы и возможность удаленного тестирования отдельных узлов и компонент ИИК. В рамках сквозной технологии должен осуществляться многоуровневый мониторинг, обеспечивающий полноту и своевременность сбора данных, управление системой связи с объектами.
Подсистема сбора и накопления первичных данных единой системы обработки метеоинформации должна строиться на базе усовершенствованной системы сбора и распространения информации Росгидромета с присоединением к ней систем других ведомств. Сквозная технология сбора данных от ПСД берегового и морского базирования может послужить основой для принятия единых стандартов на протоколы и форматы передачи данных.
Входными данными технологии являются первичные данные гидрометеорологических наблюдений на морских прибрежных станциях/постах Росгидромета, наборы среднесуточных/среднемесячных данных, получаемые:
• от ИИК в автоматическом режиме;
• от станций с применением специального программного обеспечения в автоматизированном режиме.
3. Принципы построения интегрированных информационно-телекоммуникационных систем с пакетной передачей данных по различным каналам связи
В основу проектных решений разрабатываемой системы заложены четыре основных принципа построения распределенной территориальной системы: стратифицированное управление, интеграция различных каналов связи, единое информационное поле, пакетная передача информации.
Стратифицированное управление. Реализация этого принципа позволяет построить техническую структуру и программный комплекс системы таким образом, чтобы их архитектура в максимальной степени соответствовала иерархической организационной структуре средств сбора и доставки гидрометеоинформации.
В условиях многоуровневого комплекса технических средств и специализированного программного обеспечения территориально-распределенных комплексов стратификация управления позволяет осуществить следующее:
• регулирование прохождения информационных потоков как со стороны ТДС, так и с канальной стороны, в соответствии с разработанным алгоритмом работы;
• контроль качества и времени прохождения информации от момента ввода в систему до получения квитанции от ЦСД;
• определение единой структуры, единого (совместимого) программного обеспечения;
• сбор подготовленной на ПСД информации и анализ функционирования системы.
Интеграция различнъх каналов связи. Техническая реализация принципа основана на использовании пакетных контроллеров ВИП-М, позволяющих передавать информацию по КВ и УКВ-радиокана-лам, телефонным и телеграфным линиям, через абонентские терминалы спутниковых систем связи.
Интеграция каналов связи позволяет значительно повысить уровень надежности и гибкости системы в целом, а также ввести новое понятие -динамический ресурс связи.
Решение данной проблемы при организации стратифицированного адаптивного управления предусматривает анализ и выбор на каждом этапе функционирования системы допустимого варианта построения многостанционного доступа Л=Ц| (/=1,£).
Каждый вариант оценивается по / показателям качества в результате чего формируется обобщенный вектор эффективности ^”={//| (/=1,/).
Показатели эффективности функционирования пакетной радиосети существенно отличаются в зависимости от области применения. Так, например, для систем оперативного назначения (уровень ПСД - ЦСД) основными показателями являются своевременность, достоверность и безопасность доставки пакетов до получателя, для системы общего назначения (уровень ЦСД - центры ЕСИ-МО) наиболее значимыми являются степень использования общего канала и среднее время задержки при передаче пакетов.
Единое информационное поле. Реализация первых двух принципов обеспечивает, с одной стороны объединение и автоматическую коммутацию всех информационных потоков (независимо от типа канала), а с другой - формирование комплексной базы данных с типовой структурой информационных полей.
Составляющими единого информационного поля в территориально распределенных комплексах с пакетной передачей данных являются:
• единое время, задаваемое ЦСД;
• единый протокол обмена данными удаленных ПСД;
• единый способ формирования адресов ПСД;
• идентичный принцип нумерации сообщений;
• единый алгоритм подготовки к передаче и обработки принятой информации;
• унифицированные базы данных специализированных рабочих мест центра управления и связи. Пакетная передача информации. Технически реализация этого принципа обеспечивается аппаратно-программными средствами пакетных контроллеров ВИП-М. Протоколы пакетной передачи информации, поддерживаемые этими контроллерами, обеспечивают высокую достоверность передаваемой информации.
Принцип пакетной передачи информации обеспечивает гибкое управление как системой в целом, так и ее элементами. При этом достигаются:
• сочетание централизованного и децентрализованного сбора, обобщения, анализа информации о работоспособности системы и ее элементов;
• гарантированное доведение сообщений путем автоматизированного поэтапного контроля прохождения информации (при необходимости
- оперативная переадресация информационных потоков по резервным направлениям или повторная передача информации).
Для проведения структурного анализа, оценки временных характеристик функциональных программных модулей и протоколов передачи данных, оптимизации маршрутов ретрансляции данных по каналам связи необходимы модели территори-
ально-распределенных комплексов. В рассматриваемых прикладных задачах возможно использование графовых моделей. Например, взаимосвязь функциональных задач, возлагаемых на пакетные контроллеры и вычислительный комплекс, целесообразно представить в виде информационной граф-схемы (ИГС). ИГС строится как взвешенный ориентированный граф без петель 0=(Х, V), каждая вершина х^Х (/=1,и), которого соответствует функциональной задаче, а дуги ы/ге V(/=1,п, /'=!,«, /ф/) определяют информационную взаимосвязь задач / и / При этом каждая вершина XI и ый- дуга характеризуются вектором-весом следующего вида:
Уi = № Х°АХ Л°} (»= 1, и)
2 0 = {ах©,Xх©} (/ = 1,и,/' = 1,и,IФ /'),
где г,х, тХ© - соответственно минимально-ожидае-мое и максимально-ожидаемое время выполнения /-ой задачи базовым микропроцессором; З*, ЗХ© -соответственно, объемы оперативной и постоянной памяти, необходимой для программной реализации /-ой задачи; а X©, Хх© - объем передаваемых данных и интенсивность передачи в направлении от задачи / к задаче /©, соответственно.
Для отображения структуры сети связи передачи и обработки информации строится топографическая граф-схема, которая представляет собой взвешенный неориентированный граф без петель Е=(У, V), где вершины уе У соответствуют микропроцессорным пакетным контроллерам и вычислительному комплексу, с которого должны осуществляться прием, передача и обработка результатов функциональных задач, объединенных в ИГС; и дуги д^е 0 (¡=1,ш,/=1,т,/ф/) обозначают каналы передачи, которые могут быть реализованы между узлами сети связи. При этом появляется возможность оперативно отображать на модели текущее состояние качества связи между отдельными узлами радиосети у и у-.
Весовыми характеристиками вершин у (/=1,т) выбрано максимальное быстродействие т/у пакетного контроллера и вычислительного комплекса, соответствующие им объем оперативной и постоянной памяти '. Весовыми характеристиками ребер служит пропускная способность радиолинии X/ и расстояние / между узлами сети связи. В свою очередь Цг зависит не только от ширины полосы пропускания, но и от текущего состояния качества связи; определяется текущими координатами узлов сети связи (для подвижных объектов).
Чтобы определить взаимосвязь между составом функциональных задач и узлами сети связи У, введем понятие функциональной граф-схемы, представленной двудольным графом Н=(1,Щ. При этом множество ИГС и множество вершин топографической граф-схемы образуют множество ¿=ХиУ. Множество ребер ^={^1; /=1,и, ]=1,ш, формируется по следующему правилу: г=1, если /-му узлу сети связи требуется /-я функциональная
задача и //=0, в противном случае. Следовательно, в качестве модели структурных компонент многоуровневой системы пакетной передачи сообщений по каналу связи может использоваться граф общего вида Х=(ДР), где 1=Х^У - множество вершин, а Р=Ци0иЯ - множество ребер.
4. Общая схема технологии
Сформулированные принципы построения интегрированных информационно-телекоммуникационных систем с пакетной передачей данных позволяют перейти к разработке сквозной технологии сбора данных с ТдС.
В процессе разработки этой сквозной технологии проведены исследования технических возможностей существующих на рынке ИИК. Проведена классификация ИИК.
С точки зрения организации сбора данных существуют следующие типы комплексов:
• Обслуживаемые автоматизированные информационно-измерительные комплексы на станциях с персоналом наблюдателей:
- ИИК с выводом данных на персональный компьютер (ПК). Обмен данными с ЦСД осуществляется с использованием специальных аппаратно-программных средств связи.
- ИИК с вводом данных в специализированный аппаратно-программный комплекс связи. Обмен данными с ЦСД осуществляется через специализированный аппаратнопрограммный комплекс связи.
• Автономные автоматические информационноизмерительные комплексы.
Таким образом, в структуру аппаратно-программных комплексов (АПК) системы сбора данных целесообразно включить следующие составляющие:
• ИИК (автоматические или автоматизированные метеостанции (гидропосты));
• ПК (только для обслуживаемых автоматических ИИК на станциях с персоналом наблюдателей);
• Специализированный контроллер передачи данных с коммуникационным оборудованием;
• центр сбора данных, с коммуникационным оборудованием, обеспечивающий многоканальность и режимность сбора данных с низовой сети;
• центр единой системы обработки метеоинформации, например единой системы исследования мирового океана.
Единая структура сквозной технологии сбора данных может состоять из АПК или его компонент (рис. 1):
У
Антенна спутниковой системы “Гонец”
Центр сбора данных
Р/станция У
-НЕ
3 0-,
ВИП-Гонец
Модем спутниковой системы “Глобалстар”
У
V СБМ модем
г а ]-|
вип-м т
III
|Иг»
ВИП-Глобалстар
АПК-ЦСД
центры
ЕСИМО
Гидрометеоданные в форматах ВМО, ГМС, ЩЭГАО. Неформатные данные
Метеостанция (гидропост) на базе ПЭВМ
Модем
Р/станция /4 спутниковой
системы “Глобалстар”
Л
У
Принтер
Метеостанция (гидропост)
на базе спецконтроллера, //
Р/станция У
Антенна
У
Принтер
ВИП- Гонец
Рис. 1. Структура компонент сквозной технологии сбора информации
• гидрометеостанции, в том числе автоматической, на базе специализированного контроллера или ПК.
• ЦСД.
Поскольку в сквозной технологии сбора данных предполагается использование существующих на сети Росгидромета аппаратно-программных комплексов ЦКС и центров ЕСИМО, рассматривать подробно функциональность данных компонент в рамках технологии не будем.
Общая схема функционирования
Технология сбора информации с АПК гидрометеостанции включает следующие основные типы операций:
• сбор информации по запросу из ЦСД;
• обмен информацией по инициативе АПК гидрометеостанции.
Технологические этапы сбора информации представлены на рис. 2.
Сбор информации по запросу из ЦСД включает несколько технологических этапов:
• первичный сбор данных с датчиков контроллером ИИК;
• первичная обработка данных и запоминание данных в памяти ИИК;
• установка соединения ЦСД и специализированного контроллера (ПК) при помощи кана-
лообразующей аппаратуры по расписанию, вручную, по запросу из ЦКС;
• пересылка специализированному контроллеру (ПК) запроса о требуемых данных;
• запрос требуемых данных у ИИК по протоколу MODBAS [6];
• анализ полученных данных, в случае необходимости формирование управляющих команд (например, команды на всплытие);
• формирование данных по запросу специализированным контроллером (ПК);
• пересылка данных в ЦСД;
• прием данных на ЦСД и формирование квитанции о получении данных;
• вторичная обработка полученных данных и верификация;
• формирование управляющих команд (например, команды на всплытие) и передача их на АПК в случае необходимости;
• закрытие канала связи со специализированным контроллером (ПК);
• перекодировку данных и их преобразование в сообщения соответствующего формата, согласно таблицы форматов ИИК (для АПК, не поддерживающих формирование информации, в установленных форматах Росгидромета);
• сохранение полученной информации в базе данных ЦСД;
• пересылка обработанных данных в ЦКС.
запрос с=>-
информация в форматах ВМО, ГМС, ЩЭГАС
ЦКС
расписание
или
оператор
АПК ЦСД
управление ____►
каналообразующей
аппаратурой
прием, контроль преобразование, сохранение закрытие канала —► связи
установка
соединения
передача
запроса
у
передача квитанция сообщения
Г
контроль,^
формирование
сообщения
поток данных
прием,
обработка
запроса
запрос
АПК гидрометоестанции
Рис. 2. Технологические этапы сбора информации
По расписанию, вручную, по запросу из ЦКС на АПК гидрометеостанции может быть передан не только запрос на требуемые данные, но и команды на синхронизацию времени, настройки параметров АПК, а также запрос о его состоянии.
Технология сбора данных по инициативе АПК гидрометеостанции отличается от предыдущей технологии тем, что приказ на установку соединения выдает сам АПК, а также тем, что передаются заранее подготовленные данные.
5. Заключение
На основе принципов построения и предложений по архитектуре и сквозной технологии функционирования интегрированных информационно-телекоммуникаионных систем с пакетной передачей информации по различным каналам связи для доведения данных от ПСД берегового и морского базирования до центров единой системы обработки метеоинформации получены следующие результаты:
• Разработан и согласован стандарт информационно-технологического сопряжения автономных измерительных комплексов с современными сетями сбора и передачи, а именно, протоколы:
- формата данных, передаваемых от автоматических измерительных комплексов;
- аппаратного уровня МОБВШ сопряжения автоматических измерительных комплексов и АПК-метео;
- канального уровня ISNAP [6] обмена автоматических измерительных комплексов и ЦСД.
• Разработано программное обеспечение компонент технологии, а именно аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего передачу информации о морской среде от автоматической морской станции и автоматической метеостанции в Центры ЕСИМО по системе спут-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сонькин М.А. Способ формализованного представления структуры системы передачи информации по радиоканалу // Математическое и программное обеспечение САПР. - Науч-но-техн. сб. / Под ред. В.З. Ямпольского. - Вып. 1. - Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - С. 224-231.
2. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 264 с.
3. Сонькин М.А., Ботыгин И.А. Математические модели и задачи проектирования многоуровневых микропроцессорных систем с передачей информации по радиоканалу // Кибернетика и вуз. - Научно-техн. сб. / Под ред. В.З. Ямпольского. -Вып. 29. - Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - С. 94-101.
никовой связи «Глобалстар» и сотовой связи на основе стандартов информационно-технологического сопряжения автономных измерительных комплексов с современными сетями сбора и передачи данных.
• Проведены работы по исследованию простоты использования, надежности работы, полноте и своевременности сбора данных. Проведенные испытания показали, что применение предложенных стандартов, сокращает сроки доставки оперативной и режимной информации от наблюдательной сети, повышает ее достоверность при одновременном снижении совокупных затрат на доставку информации от автоматических ИИК.
• Разработаны принципиальные схемы сопряжения АПК с автоматическими гидрометеостанциями ГМУ-2, Метео-2, Прилив-2, АПС-ЭКО, разработана спецификация команд обмена информацией в рамках протокола МОБВШ и откорректированная программа для микропроцессорного блока.
• Разработаны четыре варианта комплектации оборудования, отличающиеся использованием радиоканала, канала спутниковой системы «Гонец», канала спутниковой системы «Глобал-Стар», сотового канала.
• Проведены испытания сквозной технологии доставки данных на рабочих макетах аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего сбор данных от автоматической станции ГМУ-2, от ультразвуковой метеостанции Ме-тео-2, от преобразователя гидростатического давления Прилив-2Д, от автономной позиционной станции АПС-ЭКО. В ходе испытаний отмечено, что компоненты технологии обеспечили сквозной процесс получения и доставки данных от ИИК до центра ЕСИМО с использованием различных (в том числе и спутниковых) каналов связи и автоматизированной системы передачи данных Росгидромета.
4. Сонькин М.А. Принципы построения интегрированных информационно-телекоммуникационных систем оперативного назначения // Вычислительные технологии. - 2003. - Т. 8. -Специальный выпуск. - С. 148-156.
5. Багдасарова Е.П. Применение современных технологий сбора данных с наблюдательной сети // Метеоспектроскопия. -2005. - № 2. - С. 89-93.
6. Anderson B.D., Bose N.K. Output feedback stabilization and related problems - solution via decision methods // IEEE Trans. On Automatic Control. - 1975. - V. AC-20 (1). - P. 53-56.
