CC BY
24
УДК 004.414
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-401-406
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
А.А. Сычугов
В данной статье определены состав и основные свойства информационной системы оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов, описана её структура и схема информационного взаимодействия между внутренними элементами и внешними системами, обеспечивающая оперативный и надежный обмен информацией. Постоянным направлением передачи информации является передача «снизу вверх» от нижних уровней к верхним. Для снижения трафика обмен информацией «сверху вниз» осуществляется по запросам по специальному протоколу обмена. Предложена структура программного комплекса, состоящая из общего и специального программного обеспечения.
Ключевые слова: распределенные информационные системы, системы мониторинга, информационное взаимодействие, программные комплексы.
Информационная система (ИС) оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов представляет собой совокупность математических методов, программных и технических средств (вычислительных устройств, средств связи, устройств отображения информации, передачи данных и т.д.), обладающая следующими основными особенностями:
использование простых, сводных и доступных измерений, сосредотачиваясь на анализе данных;
соответствие задачам и сложности промышленного объекта;
прозрачность для штатной работы промышленного объекта;
способность выявлять отклонения от штатного функционирования и своевременное информирование об этом ответственных лиц;
адаптивность: система должна реализовывать динамическое изменение собственной структуры, самонастройку и перераспределение выполняемых функций в зависимости от развивающейся на объекте нештатной ситуации;
интеллектуальность: система должна обладать способностью анализировать измерительную информацию, распознавать нештатную ситуацию и прогнозировать ее дальнейшее развитие.
ИС оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов реализуется как система управления [2], содержащая человека в качестве звена системы и используется для получения как оперативными сотрудниками объекта, так и различными службами объективных сведений о текущем состоянии объекта.
Учитывая наличие различных служб и органов управления, участвующих в предотвращении и ликвидации ЧС можно сделать вывод о том, что ИС будет иметь неоднородную распределенную архитектуру [3, 4] общий вид которой представлен на рис. 1.
Рис. 1. Архитектура информационной системы оперативного обнаружения опасных
состояний промышленных объектов 401
Задача обеспечения информационного взаимодействия между отдельными элементами информационной системы оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов и внешними системами заключается в оперативном и надежном обмене информацией.
Информационное взаимодействие между отдельными элементами строится по иерархическому принципу (рис. 2) [5]. Количество уровней иерархии и их наполнение может быть различным, например, три уровня: региональный, муниципальный, уровень населенного пункта. Обмен информацией осуществляется в двух направлениях. Постоянным является передача «снизу вверх» от нижних уровней к верхним. Передача информации «сверху вниз» осуществляется по запросам по специальному протоколу обмена, который позволит снизить трафик, тем самым разгрузить промежуточные устройства, сервера и каналы передачи данных [6].
Уронен ь I (региональный)
Кластер БД системы
мониторинга регионального Vрояли
выделенным адрес (1Р')
Щ-
Уровень 2 (муниципальный)
Пож. ЧЗСТ1
| АРМ к
УВД „'
| АРМ
Узел мониторинга муниципального уровня
динамический адрес (1Р)
и
Уровень 3 (населенный пункт)
УВД
ни
Узел мониторинга населенного пункта 1
динамически!/ адрес
У
Концентраторы
Ж »
| Увещатели | [рповещателн |
Концентраторы
0 ч
Ичаешател" | |Оповен|атели|
Рис. 2. Схема информационного взаимодействия между элементами ИС оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов
На верхнем уровне иерархии находится кластер БД регионального уровня. Состав кластера определяется для каждого региона индивидуально и может включать один и более серверов БД, маршрутизаторы, системы резервного хранения данных и др.
Сервера третьего уровня могут быть организованы на базе специально подготовленного персонального компьютера или, в более простых случаях, на базе концентратора, на втором и первом уровнях обработки информации следует использовать промышленное серверное оборудование. Мощность сервера определяется его прогнозируемой загруженностью для случая максимально возможного количества ЧС на всех объектах этого и нижестоящих уровней и максимального количества одновременно работающих АРМ, что соответствует наибольшему количеству передаваемой информации.
Каждый сервер должен содержать в своей базе данных информацию о структуре всех объектов как своего, так и всех нижестоящих уровней [7]. Таким образом, по мере передачи оперативной информации по уровням иерархии «снизу вверх» она обобщается и уменьшается в объемах, при этом база данных, содержащая сведения об объектах мониторинга, увеличивается.
К серверу каждого уровня могут подключаться АРМ всех необходимых служб, находящихся на этом уровне. Помимо этого, каждая АРМ (в случае невозможности получения информации от сервера своего уровня) может запросить информацию у сервера вышестоящего уровня. Обмен данными АРМ с серверами других уровней не предполагается, так как в этом случае возможна ситуация перегрузки сервера, что сделает его недоступным, в том числе, для передачи оперативной информации, что может вызвать цепную реакцию и, в конечном итоге, отказ всей сети.
На каждой АРМ устанавливается унифицированное программное обеспечение, которое получает от сервера только ту информацию, которая необходима соответствующей службе.
Помимо получения оперативной информации от сервера, с каждой АРМ может быть запрошена информация о состоянии любого устройства, в том числе терминального, к которому у оператора разрешен доступ в конфигурации БД. Для этого АРМ обращается с соответствующим запросом к своему серверу, который, в свою очередь, может предоставить имеющуюся у него информацию либо обратиться непосредственно к соответствующему устройству или к серверу другого (как вышестоящего, так и нижестоящего) уровня. Обращение АРМ с запросом непосредственно к устройству нецелесообразно, так как в случае массового обращения, это может вызвать перегрузку запросами соответствующего устройства.
Каждое активное устройство осуществляет классификацию получаемой информации с целью разделения ЧС по уровню угроз (объектовый, муниципальный, региональный уровень).
С целью оперативного обмена важной информацией и исключения возможности её сокрытия, каждое устройство помимо передачи информации первичному серверу, должно автоматически, при появлении информации о возникновении ЧС более высокого уровня, передать информацию на соответствующий уровень.
С целью повышения надежности хранения всей информации, реализован механизм репликации данных как на одном уровне иерархии, так и между уровнями. Повышение надёжности передачи данных по сети осуществляется с помощью специальных диагностических пакетов малого размера, слабо нагружающих сеть. В случае отсутствия отклика от устройства в сети в течение заданного интервала времени, концентратор или АРМ попытаются установить подключение к другому серверу или использовать резервный канал связи (в случае его наличия). В это же время сервер пытается выполнить процедуру дерегистрации (отмены регистрации) устройства и оповестит участников сетевого обмена информацией об изменении топологии с помощью специального пакета, в пределах протокола обмена информацией.
Все устройства системы имеют свои уникальные идентификаторы, которые присваиваются им при изготовлении и в процессе работы не могут быть изменены. Эти идентификаторы не являются сетевыми адресами, а позволяют идентифицировать устройство в рамках системы.
Программный комплекс подразделяется на общее и специальное программное обеспечение. Общая структура программного комплекса представлена на рис. 3.
Операционные системы АРМ
СПО аналитического сегмента
СПО управляющего сегмента
СПО сегмента прикладного ПО
Браузеры АРМ
Операционные системы серверов
ч
Web-cepвep
СУБД
Программные средства просмотра и подготовки документов
Подсистема реального времени
Подсистема взаимодействия с управляющим сегментом
>
Подсистема анализа состояния технологического процесса
Подсистема анализа сетевого трафика
Подсистема взаимодействия с аналитическим сегментом
Подсистема доступа к локальной базе данных
Подсистема агрегации и консолидации данных
Подсистема взаимодействия серверами вышестоящих уровней
Подсистема генерации \\еЬ-страниц
ГИС
СЭД
СП
^ СППР
Рис. 3. Общая структура программного комплекса
403
Программное обеспечение аналитического сегмента состоит из следующих подсистем: подсистема реального времени;
подсистема взаимодействия с управляющим сегментом; подсистема анализа состояния технологического процесса;
подсистема анализа сетевого трафика информационно-вычислительного комплекса промышленного объекта.
Подсистема реального времени реализуется в виде постоянно запущенного сервиса, который осуществляет непрерывный обмен информационными единицами с терминальными устройствами. В каждом цикле опроса осуществляется чтение данных с терминальных устройств.
Подсистема взаимодействия с управляющим сегментом осуществляет подключение к управляющему сегменту и транспортировку необходимых информационных полей в инкапсулированном виде. Обмен между серверами производится на основе технологии Web-сервисов [8]. Кроме того, данная подсистема выполняет функции клиентского агента.
Подсистемы анализа состояния технологического процесса и анализа сетевого трафика информационно-вычислительного комплекса промышленного объекта реализованы в виде программных агентов и могут мигрировать между отдельными устройствами, входящими в состав данного сегмента.
Программное обеспечение управляющего сегмента реализовано в виде программы для операционной системы узлов и состоит из следующих программных модулей:
подсистема взаимодействия с устройствами, входящими в состав аналитического сегмента;
подсистема доступа к локальной базе данных узла; подсистема агрегации и консолидации данных; подсистема взаимодействия серверами вышестоящих уровней; подсистема генерации web-страниц.
Подсистема взаимодействия с устройствами, входящими в состав аналитического сегмента реализуется в виде постоянно запущенного сервиса, который осуществляет непрерывное подключение к контролируемым узлам. Данные, переданные из нижестоящим узлом, загружаются в оперативную память для дальнейшей обработки. При этом передача данных может инициироваться как самим сервером, так и подключенным к нему нижестоящим узлом.
Подсистема доступа к локальной базе данных сервера обеспечивает хранение и доступ к конфигурационным параметрам узла, а также к части глобальной информационной базы, предназначенной для хранения оперативной информации о состоянии той ветви сети, во главе которой находится данный сервер. Кроме того, реализуется доступ к реплике общей базы данных, имеющей отношение к объекту или территориальной единице, на котором установлен узел, необходимой для его функционирования в случае обрыва связи с вышестоящим узлом.
Подсистема агрегации и консолидации данных служит для обработки информации, полученной с нижестоящих узлов, и подготовки данных для передачи на вышестоящий уровень. Алгоритм агрегации и консолидации, степень детальности информации, определяются получателем информации.
Подсистема взаимодействия с узлами вышестоящих уровней осуществляет подключение к вышестоящему узлу. Обмен между узлами производится на основе технологии Web-сервисов. При подключении узла к сети осуществляется его регистрация на сервере первого уровня с фиксацией 1Р-адреса и номера порта, по которому осуществляется взаимодействие узла с внешней сетью через маршрутизатор. После завершения процедуры регистрации в глобальной сети фиксируется информация о доступе к Web-сервисам, предоставляемым узлом.
Подсистема генерации Web-страниц предназначен для решения задач визуализации мониторинга безопасности объекта.
Программное обеспечение сегмента прикладного программного обеспечения включает в себя следующие составные части:
геоинформационная система (ГИС);
система электронного документооборота (СЭД);
система прогнозирования (СП);
система поддержки принятия решений (СППР).
Геоинформационная система предполагает наличие подсистемы картографического представления информации о промышленных объектах, а также информации об органах управления, силах и средствах, применяемых при ликвидации ЧС.
Геоинформационное обеспечение системы обеспечивается средствами работы с картами.
Средствами редактора геоинформационных проектов на сервере первого уровня создается геоинформационный проект, в который включается набор электронных карт, необходимых для функционирования системы.
Для работы с геоинформационным проектом ГИС предоставляет визуальное Web-приложение - клиент ГИС. Клиент ГИС функционирует под управлением браузера и использует сервисы взаимодействия с сервером ГИС и БД.
Клиент ГИС реализует визуальный интерфейс работы с электронными картами и по запросам оператора в интерактивном режиме выполняет основные функции. Взаимодействие клиента ГИС с системой осуществляется с помощью сервисов.
Система электронного документооборота обеспечивает автоматическое/автоматизированное формирование отчетов о результатах проведения операций по ликвидации и предотвращению ЧС, а также обмен электронными документами между органами управления.
Система прогнозирования обеспечивает опережающее отражение вероятности возникновения и развития ЧС на основе информации, получаемой из аналитического сегмента, и последующего анализа возможных причин возникновения ЧС и ее источника.
Система поддержки принятия решений представляет собой компьютерную автоматизированную систему, целью которой является помощь лицу, принимающему решение, в сложных условиях для полного и объективного анализа поступившей информации.
Все компоненты этого сегмента должны быть реализованы в виде программных библиотек с унифицированным интерфейсом взаимодействия, например, Web-сервисов. Это позволит улучшить гибкость системы безопасности, на основании осуществления возможности добавления к ней новых компонентов без значительных затрат на обеспечение их согласованного взаимодействия с другими частями системы.
Описанная в данной статье архитектура информационной системы оперативного обнаружения опасных состояний промышленных объектов позволит уменьшить человеческий фактор в принятии управленческих решений, а схема информационного взаимодействия внутренних элементов и внешних систем позволит снизить передаваемый трафик, повысить оперативность и надежность обмена информацией.
Кроме того, предложенная система может быть использована для формирования и передачи данных в Федеральную службу по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) в рамках проведения эксперимента по внедрению системы дистанционного контроля промышленной безопасности в соответствии с Постановлением Правительства РФ №2415 от 31 декабря 2020 г.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №19-07-01107\19.
Список литературы
1. Горюнкова А.А. Информационно-измерительная система построения полей загрязнения атмосферного воздуха промышленно развитых территорий // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Тула, 2015.
2. Трапезникова В.А. Система поддержки принятия решений в человеко-машинных системах управления. Труды Института проблем управления РАН им. Том УШ. М.: ИПУРАН, 2000. С. 46-59.
3. Свами М. Тхулалираман К. Графы, сети и алгоритмы. М: Мир, 1984. 455с.
4. Седельников Ю.В., Сычугов А.А. Сегменты системы комплексной безопасности при реализации инфраструктурных проектов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5. Ч. 3. С. 239-245.
5. Седельников Ю.В. Методы и средства построения информационно-измерительных систем обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тула, 2012.
6. Парк Дж., Маккей С., Райт Э. Передача данных в системах контроля и управления. 2007. 480 с.
7. Парк Дж., Маккей С., Сбор данных в системах контроля и управления. Практическое руководство. М.: ООО «Группа ИДТ», 2006. 504 с.
405
8. Кузнецов М., Симдянов И. PHP. Практика создания Web-сайтов. 2-ое издание, БХВ-Петербург, 2009.
Сычугов Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, директор института прикладной математики и компьютерных наук, xru2003@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRUCTURE OF THE INDUSTRIAL FACILITIES MONITORING SYSTEM
A.A. Sychugov
This article defines the composition and main properties of the information system for the rapid detection of hazardous conditions of industrial facilities, describes its structure and the scheme of information interaction between internal elements and external systems, which ensures prompt and reliable exchange of information. The constant direction of information transfer is the "bottom-up" transfer from the lower levels to the upper ones. To reduce traffic, the exchange of information "from top to bottom" is carried out at the request of a special exchange protocol. The structure of the software package is proposed, consisting of general and special software.
Key words: distributed information systems, monitoring systems, information interaction, software systems.
Sychugov Alexey Alexeevich, candidate of technical science, head of chair, xru2003@list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-406-412
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ
М.В. Житный, П.С. Гончаров, А.М. Денисов
Представлен подход к моделированию и математическая модель функционирования системы электроснабжения космического аппарата в условиях воздействия естественных и техногенных факторов космического пространства. В модели учтены результаты экспериментальных исследований изменения электрических характеристик солнечных элементов, возникающих при повреждении солнечных элементов малоразмерными твердыми частицами космического мусора.
Ключевые слова: космический мусор, компьютерное моделирование, космический аппарат, солнечный элемент, система электроснабжения, техногенный фактор.
В процессе функционирования космического аппарата (КА) на его системы и элементы происходит воздействие естественных и техногенных факторов космического пространства (потоков прямого и отраженного солнечного излучения, собственного теплового излучения Земли, космической радиации, метеорных потоков и частиц космического мусора, плазмы электрических ракетных двигателей и пр.), приводящее к соответствующему ухудшению технических параметров. К основным из таких факторов следует отнести кинетическое воздействие частиц космического мусора, а также воздействие плазменных струй электрических ракетных двигателей (ЭРД).
