CC BY
141
Литература
1. Регионы России. Социально-экономические показатели. М. : Росстат, 2011. 990 с.
2. Моделирование социо-эколого-экономической системы региона / В.И. Гурман, Е.В Рюмина. М.: Наука, 2001. 175 с.
3. Расина И. В., Блинов А. О., Гусева И. С. Магистрали в задаче оптимизации стратегии развития региона на многокомпонентной модели // Вестник Бурятского государственного университета. 2011. № 6. С. 36-42.
4. Модели управления природными ресурсами / В.И. Гурман. М.: Наука, 1981. 264 с.
5. Gurman V. I. Modeling and Optimization Sustainable Strategies on Regional Level // Proceedings of LI Int. Conference Econometrics of Environment snd Transdisciplinarity. - Lisbon, Portugal, April 1996. Vol. 5.
6. Будаева Д. Ц., Гусева И. С., Насатуева С. Н. Влияние инвестиций и прямых инновационных затрат на оптимальные стратегии развития региона // Программные системы: теория и приложения : электрон. научн. журн. 2012. T. 3, № 5(14). С. 23-32.
7. Гурман В. И., Ухин М. Ю. Магистральные решения в задачах оптимизации стратегий развития регионов // Автоматика и телемеханика. 2004. № 4. С. 108-117.
8. Гурман В. И. Вырожденные задачи оптимального управления. М.: Наука, 1977. 304 c.
Насатуева Соелма Номтоевна, аспирант кафедры прикладной математики Бурятского государственного университета. E-mail: [email protected].
Ильичева Полина Сергеевна, магистр прикладной математики Бурятского государственного университета. Email: [email protected].
Nasatueva Soelma Nomtoevna, postgraduate student, applied mathematics department, Buryat State University.
Ilicheva Polina Sergeevna, master of applied mathematics, Buryat State University.
УДК 004.42
© Г.В. Попков
МОДЕЛЬ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
В статье рассматриваются вопросы, связанные с модификацией структуры транспортных сетей электросвязи Российской Федерации. Предлагается новый концептуальный принцип организации и эксплуатации транспортных сетей в интересах населения и всех операторов связи, использующих кабельные и другие сети связи на выделенной территории для оказания телекоммуникационных услуг.
Ключевые слова: проектирование, транспортные сети связи, графы, гиперсети, S - гиперсети.
G. V. Popkov
A PERSPECTIVE MODEL FOR TRANSPORT COMMUNICATION NETWORK OF THE RUSSIAN FEDERATION
The article considers the issues connected with modification of the structure of transport networks of telecommunications of the Russian Federation. A new conceptual principle for organization and operation of transport networks is proposed in the interests of population and all telecommunication operators who use cable and other communication networks on the allocated site for provision of telecommunication services.
Keywords: enginnering, transport communication networks, graphs, hyper networks, S - hyper networks.
1. Актуальность. Постоянный рост числа операторов связи, непрерывное увеличение контента, развитие и внедрение новых систем передачи при ограниченном пространственном ресурсе населенных пунктов влекут за собой трудноразрешимые задачи использования городской территории для размещения систем передачи различной природы. Сети для предоставления услуг кабельного телевидения и Интернета опутали дома и улицы городов и сел. Развитие новых сетей связи за счет возрастающего числа операторов связи только усугубляет данную ситуацию, так как на канальном уровне происходит многократное дублирование сетей связи.
2. Замечания к существующей ситуации. Есть ряд обстоятельств, не позволяющих оптимально и корректно организовать всевозможные услуги электросвязи на всей территории России.
В частности:
2.1. Имеет место пониженное внимание хозяйствующих субъектов к обслуживанию отдалённых малонаселённых пунктов в регионах РФ.
2.2. Практически нет мотивации проведения социальной политики у операторов связи по предоставлению телекоммуникационных услуг широкого спектра в так называемые «нерентабельные районы».
2.3. Отсутствуют жесткие требования или их не учитывают при строительстве линейных сооружений операторы связи различных уровней.
2.4. В некоторых случаях отсутствуют единая техническая политика и контроль при строительстве сетей доступа (особенно абонентского) у различных операторов, поэтому возникает сложность контроля и управления. Страдает такой важный аспект городского сетевого хозяйства, как «эстетика».
2.5. Отсутствует системный подход при развитии транспортных сетей связи России, что накладывает негативный отпечаток на реализацию технологического рывка в предоставлении телекоммуникационных услуг на всей территории РФ.
2.6. Транспортные сети связи, как правило, принадлежат операторам, занимающим существенное положение в сети связи общего пользования, поэтому альтернативные операторы не всегда могут свободно распоряжаться этим важным ресурсом.
Предлагается создать «Единую транспортную сеть связи» (ЕТСС), охватывающую все субъекты Федерации, которая работает по единым принципам. Данная сеть должна обладать единой системой управления ресурсами сети, эффективным менеджментом по развитию и эксплуатации сети, а также государственным регулированием по взаимодействию этих сетей с другими инженерными сооружениями и сетями. Планирование, проектирование, строительство данной сети должно осуществляться системно, планомерно, учитывая политико-экономическую ситуацию в стране. Такого рода сеть должна быть социальной, позволяющей любому пользователю, проживающему на территории РФ, получить любой вид телекоммуникационных услуг в любом месте, в любое время и за относительно небольшие деньги. В регионах ЕТСС принадлежит и эксплуатируется зоновым оператором транспортной сети РФ (ЗОТСС). Сеть должна масштабироваться по горизонтали и по вертикали, ровно столько, сколько существует потребность в телекоммуникационных услугах у субъекта Федерации, города или села и, вообще говоря, любого населённого пункта или единичного жилого помещения. Непременно при проектировании и строительстве ЕТСС должен быть заложен резерв на всех уровнях, где это возможно, как для расширения государственных ЕТСС, так и ведомственных или частных транспортных сетей при наличии соответствующих лицензий.
В концепцию такой сети должны укладываться все современные и перспективные системы связи наземного базирования. Кроме того, вызывают большой интерес технологии, позволяющие объединять все коммуникации в единую систему инженерных сетей [1].
3. Структура ЕТСС
Если декомпозировать предлагаемую сеть на уровни, то получим следующую иерархию.
3.1. Уровень потребителей услуг связи.
На этом уровне предполагается определить структуру и состав пользователей предполагаемых услуг связи, распределить ресурсы ЕТСС между операторами связи. На этом уровне необходимо изучить территорию размещения возможных абонентов и, следовательно, сетевого оборудования.
Определение состава и структуры пользователей ЕТСС.
Найти разбиение заданной территории на классы пользователей (задача кластеризации) и определить оптимальный состав услуг для каждого класса, вычислить матрицу тяготения по каждой услуги связи. Вообще говоря, для построения ЕТСС знание состава услуг связи не является необходимым условием, однако верхнюю границу пропускной способности каналов связи более точно можно определить, зная экспертную оценку нагрузки по всем услугам на соответствующей территории.
Территория, как правило, разбита на сельские и городские районы. В свою очередь город разбивается на районы, численность в городском районе примерно составляет 100 000 человек. Районы города делятся административно, помимо этого существует определённая активность населения в бизнес центре города (назовём эту область города административным районом с большим голосовым трафиком, трафиком передачи данных). Около 80% населения города пользуется мобильной связью, 30% пользуется этой связью очень активно.
Для оценки мощности ЕТСС требуется примерно определить потребность в услугах электросвязи по районам области и города в части телефонной сети общего пользования, услуг сети передачи дан-
ных, услуг кабельного телевидения. Услуги мобильной связи для определения мощности ЕТСС не учитываются.
Для определения количества необходимых сервисов можно воспользоваться услугами социологических опросов, телеголосованием, опросом в социальных сетях Интернет, обращениями в офисы операторов связи по районам города. Параллельно необходимо формировать рынок потребления услуг связи в городе путём проведения рекламных компаний по всем медийным каналам, доступным операторам связи.
После этапа определения карт нагрузки по разным видам услуг электросвязи можно определить примерные направления ситуационных трасс прохождения транспортной сети по области и районам городов, а также определить примерные места установки оконечного оборудования по типам оказываемых услуг для транспортной сети в её пассивной части.
Требуется составить генеральную матрицу тяготений по всем типам нагрузки, циркулирующей внутри заданной территории.
3.2. Уровень определения матрицы тяготений и мест размещения точек входа в ЕТСС (узловая основа).
На этом уровне рассматриваются задачи определения мест расположения сетевых узлов (СУ) и распределительных узлов (РУ) ЕТСС и соответствующей матрицы тяготений между ними.
На этом уровне также осуществляется предварительное определение структуры каналов связи и их мощности для всех видов услуг на заданной территории.
Для решения этих задач необходимо знать места расположения абонентов и их потребности в телекоммуникационных услугах. Кроме того, могут быть известны места расположения оборудования вторичных сетей, принадлежащих различным операторам связи. В общем случае в городе или на территории сельских районов уже могут существовать какие-то каналы связи, поэтому при проектировании расширения сети (для новых услуг электросвязи: интернет, кабельное телевидение и др.) необходимо учитывать существующие первичные сети. Следовательно, на этом уровне имеют место три варианта развития ЕТСС:
1) на соответствующей территории уже существует полноценная транспортная сеть на базе, которой оказывают услуги связи различные операторы связи. В этом случае необходимо оптимальным образом выделить из общих сетей составляющую, входящую в ЕТСС, и затем организовать систему управления этой сетью согласно предлагаемых концепции развития и эксплуатации зоновых (региональных) сетей связи.
2) на территории практически отсутствуют каналы связи. В этом случае необходимо создать достаточную и оптимальную ЕТСС.
3) самый вероятный вариант, очевидно, заключается в том, что существует некоторая сеть связи, которая предоставляет телефонную связь, а также некоторые телематические услуги с небольшим объёмом трафика.
Очевидно, что последний вариант наиболее общий, в то время как два предыдущих варианта фактически являются частными случаями третьего варианта.
Таким образом, с учётом карты потребностей в услугах необходимо определить общую мощность каналов связи по направлениям ситуационных трасс по районам области или города, также необходимо определить суммарную пропускную способность в Мб/с каналов связи, имеющих выход на междугородную, международную связь за пределы области/района/субъекта Федерации.
3.3. Уровень среды распространения сигнала (СРС).
На этом уровне необходимо будет определить состав линий связи транспортной сети (предоставление радиоканала, оптического кабеля, медного симметричного/коаксиального кабеля и т.п.). Надо также перечислить характеристики и систему взаимодействия между различными СРС, например оптические или медные линии связи (коаксиальные или симметричные). Необходимо рассмотреть проблему реализации и совместимости таких систем для конкретных типов кабельных линий, стволов РЛС, направляющих систем.
Таким образом, на этом уровне надо найти оптимальное определение состава СРС для заданной территории и их совместимость.
Принимая во внимание рельеф местности, градостроительные факторы, необходимо определить применение различных СРС в заданных районах.
Для организации кабельных линий связи на транспортном уровне целесообразно использовать оптические кабели связи, в случае реконструкции существующих транспортных сетей можно использо-
вать существующие медные кабели на участках абонентского доступа. В условиях болотистых, горных, труднодоступных районов целесообразно использовать радиорелейные линии связи (РРЛ) различных типов и назначения.
Применение радиосредств оправдано как на магистральном участке транспортной сети (междугородная сеть связи), так и на сети доступа в крупном мегаполисе.
В случае использования радиорелейных систем связи в крупных мегаполисах необходимо точно знать радиообстановку в районах установки РРЛ, дабы исключить возможность частотного наложения соседних радиосистем.
Транспортные сети связи предназначены для организации различных услуг электросвязи (здесь прежде всего имеется в виду предоставление в аренду кабельных и радиорелейных линий связи). На базе арендованных каналов транспортных сетей (как уже отмечалось ранее), принадлежащих одному оператору связи, организуются всевозможные вторичные сети, возможно, принадлежащие различным операторам связи. На этом уровне в качестве узлов выступают сетевые узлы (СУ) и сетевые станции (СС), распределительные шкафы, соединительные муфты, ретрансляционные вышки и т.п.
Необходим поиск оптимального набора линейного оборудования для организации эффективной структуры транспортной сети, предназначенной для удовлетворения всевозможных услуг связи на заданной территории с учетом существующих и предполагаемых операторов услуг связи.
Таким образом, на этом уровне с учетом найденной узловой основы транспортной сети необходимо определить структуру ЕТСС, номенклатуру линий связи и соответствующую мощность по каждому направлению, которая бы отвечала потребностям в конкретных видах услуг на зоновом (региональном) уровне населенных пунктов или мегаполиса.
Требуется также определить, какие технологии транспортной сети связи мы будем применять на том или ином участке сети.
3.4.Уровень каналов (труб) кабельной канализации, систем подвески кабеля (линейные сооружения).
Линейные инженерные сооружения являются основой этого уровня. Фактически этот уровень обеспечивает безопасность и реализацию кабельных систем в выделенном пространстве. Сюда входят трубы кабельной канализации, системы подвески кабелей и другие возможные инженерные сооружения. Обычно в качестве узловой основы на этом уровне выступают колодцы или столбы линии ВЛС и т.д.
Оптимизация линейных сооружений на этом уровне осуществляется с учетом живучести, качества функционирования и мест расположения СУ и РУ, а также возможных мест расположения оборудования операторов связи вторичных сетей. Таким образом, на базе найденной узловой основы необходимо оптимально спроектировать участки транспортной сети и сети доступа для организации точек подключения оборудования операторов вторичной сети связи. Точное определение расположения в пространстве элементов линейных сооружений транспортной сети позволит перейти к непосредственному проектированию. При решении этой задачи, впрочем, как и предыдущих, всегда используется цифровая карта местности, на которой отмечены ситуационные трассы возможной реализации соответствующих линий связи.
3.5. Уровень траншей, коллекторов или воздушных линий связи (инженерные сооружения).
Поскольку одними из самых ограниченных ресурсов при создании и эксплуатации транспортных
сетей связи являются земля, траншеи и опорные столбы (сеть подвески кабеля), то их правильное использование позволит, с одной стороны, удовлетворить всех потребителей в услугах связи, а с другой - оптимизировать этот городской ресурс с учетом возможных ограничений и требований. На этом уровне одним из эффективных подходов является создание коллектора, позволяющего легко реализо-вывать и эксплуатировать различные линейные сооружения ЕТСС.
Оптимизация инженерных сооружений связи для реализации линий связи осуществляется с учетом всех градостроительных факторов и найденных решений по всем возможным линейным сооружениям, найденным на предыдущем уровне.
Следовательно, на базе существующих ситуационных трасс необходимо получить оптимальное решение для проектирования траншей, коллекторов и путей прокладки воздушного кабеля.
3.6. Уровень трасс транспортных магистралей сетей связи и их взаимосвязь с другими инженерными сооружениями.
На этом уровне реализуются трассы прокладки кабельной канализации с учетом других инженерных сооружений и возможных коллизий, возникающих в процессе строительства. Так, например, по
некоторым участкам может быть реализовано несколько трасс кабельной канализации или сеть опорных столбов. В других случаях может быть наложен запрет на проведение работ по строительству линейных сооружений в последний момент. Практически этот этап является не сколько оптимизационным, а диалоговым, на котором проектировщик с помощью ЭВМ проверяет и модифицирует проект в условиях реального взаимодействия с соответствующими службами сторонних организаций данного населенного пункта и/или территории района, области.
3.7. Уровень ситуационных трасс для возможной реализации кабельных и подвесных линий по улицам населенных пунктов или сельской территории. Этот уровень охватывает все возможные трассы, пригодные для построения линейных сооружений сетей связи на заданной территории.
Здесь решается задача оптимального построения сети ситуационных трасс с учетом градостроительных факторов. Этот уровень в основном решается проектировщиком вручную. Однако на зоновом (региональном) уровне, да и в мегаполисе вариантов может быть так много, что необходимы машинные вычисления. Формулировку задачи определим следующим образом. Пусть задан план местности, характеристики грунтов, наличие водных преград, топография горной местности, а для мегаполисов дана подробная карта городской застройки и иных градостроительных факторов.
Необходимо определить все возможные (максимально большое количество вариантов) прокладки, подвески кабельных линий связи, учитывая ограничения, возникающие при проектировании линейных сооружений.
3.8. Уровень карты-схемы территории, охватываемой услугами ЕТСС. Данный уровень является базовым для любых задач, связанных с информатизацией населения. Обычно этот уровень заданный и существует в виде планшетов с генсхемами территории.
Таким образом, каждому уровню можно поставить в соответствие некоторый граф или гиперграф (вторичную сеть S-гиперсети) так, чтобы формально можно было бы описать соответствующий уровень S-гиперсети, представляющий транспортную сеть, сети связи России [2]. Здесь следует отметить, что двудольный граф WSl(РУ,Аб.,Y) из первого уровня соответствует распределительным сетям (реализуется на графе первичной сети, а его вершины присоединяются через кроссы к вершинам третьего уровня).
В дальнейшем все уровни в данной работе будут рассматриваться как ресурсы ЕТСС. Для задач размещения сетей связи в пространстве, кроме подземного и наземного размещения кабельных линий, потребуются и координаты элементов этих сетей на поверхности.
4. Математическая модель ЕТСС.
Из приведённого содержательного описания задач построения (проектирования) ЕТСС следует, что в процессе создания линейных сооружений потребуется математическая модель, способная описать все возможные структуры, участвующие в создании математической модели сети. Для этой цели воспользуемся применением математического объекта, нестационарной S-гиперсетью [2]
Дадим формальное определение S - гиперсети. Пусть задано множество графов (гиперграфов)
G0 = (X °,У), G1 = (X1,и*),..., G0 = (Хк ,ик ) и корневое дерево Т0 = (2, К), где Z = г0,21,..., 1к,К = г1,...,гк, что определяет вложение графов G ■ в Gi (/ < .), аналогично вложениям, определяемым в гиперсетях [1], за тем лишь исключением, что вершины х'к и X. графов Gi и G■ не тождественны, а инцидентны. Если в графе G■ отображено несколько графов { Gi }, то те вершины этих графов, отображенные в вершину (узел) у графа G■, будут инцидентны узлу у и слабо инцидентны между собой. Т. е. вершины из разных графов вторичных сетей, являясь, по сути, прообразами элементов из моделируемых систем, будут различными по типу элементами и в S-гиперсети. Следовательно, они будут слабо инцидентными в узлах первичной сети Go или в вершинах сети, в которую они отображаются. В дальнейшем граф Gj , который отображается в граф Gi будем называть
вторичной сетью, а Gi - первичной сетью. Очевидно, что одной и той же вершине х'к может быть инцидентно несколько вершин X. = {х.1,х.2,...,х.} из графов },5 = 1,...,I. На множестве вершин Х. можно определить граф Ь = (Х., Е) . Вершины хк и х. квазисмежные в Ь1, если соответствующие графы Gj и Gj в вершине х'к имеют некоторую системообразующую связь I(X1, X").
В противном случае эти вершины только слабо инцидентны. Так же, как в гиперсетях, ребру ы]1 е GJ в графе Gi сопоставляется цепь или некоторая связная часть между соответствующими вершинами
из Gi.
На рис.1. приведен пример такой S-гиперсети. Здесь необходимо отметить, что системообразующие связи типа {1(х,у)}, вообще говоря, могут иметь разную природу и, как правило, существенно зависят от времени. В некоторых случаях, например в системе транспортных сетей разного типа (канализация, кабель, проводник и т.п), такими связями в транспортных узлах будут колодцы, кроссы или кабельные муфты. В этом случае имеет смысл рассматривать объединение всех вторичных сетей. Однако иногда имеет смысл рассматривать сумму всех графов S-гиперсети Н, включая и первичную сеть PS, т.е. О = О0 + О1 + ...+ Оп+ {Ь1}.
Рис. 1. S - гиперсетевая структура ЕТСС
Согласно описанию 8-уровневой модели ЕТСС, мы имеем следующие элементы S-гиперсети, которые можно положить в основу системы моделирования внутризоновых, городских и сельских первичных сетей связи:
1. Первый уровень иерархической S-гиперсети представляет собой множество строений и/или замкнутых комплексов домов, от которых абонентские (частные) линии идут в распределительные узлы. Задача заключается в том, что на заданной территории необходимо найти множество РУ так, чтобы затраты на абонентские линии были минимальными. При этом каждый абонент мог бы получить весь спектр услуг связи. Очевидно, что данная структура WS1 опирается на граф первичной сети PS(X,U) = WS8.
2. Второй уровень WS2 содержит в качестве вершин возможные места расположения СУ и РУ, а также транзитные вершины, соответствующие вершинам графа ситуационных трасс. Ребра этого уровня соответствуют возможным трассам каналов связи в графе ситуационных трасс.
3. На уровне WSз определяются места расположения СУ и структура связей между СУ и РУ, здесь возможны и транзитные узлы без выхода на кроссовое оборудование. Затем каждое направление исследуется на предмет практической реализации (по типу линий связи) в графе ситуационных трасс.
А.А. Рогожин, В.А. Дурденко, Б.О. Баторов. Разработка программного комплекса автоматизированного расчета показателей надежности некоторых элементов интегрированных систем безопасности
4. Следующий уровень WS4 задает структуру системы труб кабельной канализации с целью упаковки в них кабельных линий. На этом же уровне и определяются трассы для подвески воздушных и радиорелейных линий связи.
5. Строительный уровень WS5 является определяющим для строительства линейных сооружений. Здесь реализуются решения для прокладки кабельной канализации, формируются постоянные кроссы между кабелями, лежащими в различных а/ц трубах, осуществляется оптимизация линейных сооружений.
6. Уровень WS6, на котором определяются трассы линий связи на графе ситуационных трасс. На этом уровне окончательно решается задача трассировки кабельной канализации, включая и воздушные линии связи.
7. Седьмой уровень WS7 - это, по сути, граф ситуационных трасс (суграф графа города или другой территории), в котором реализуется магистральная сеть.
8. Последний уровень WS8 объединяет распределительную и магистральную части общей транспортной сети.
Таким образом, построенная иерархия структур полностью задаёт транспортную сеть связи на заданной территории. Кроме того, локальная оптимизация на каждом уровне позволяет снизить издержки для строительства допустимых сетей связи, предназначенных для получения всего спектра информационных услуг.
Литература
1. Конин М.В., Лепнер Э.Ю., Попков Г.В. Применение гиперсетей для автоматизированного проектирования инженерной инфраструктуры предприятия // Проблемы информатики. 2013. №2. С. 65-72.
2. Попков Г.В., Попков В.К. Вопросы проектирования, строительства и эксплуатации первичных сетей связи // Проблемы информатики. 2013. №4. С. 60-65.
Попков Глеб Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности и управления в телекоммуникациях (БиУТ) Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (Сиб-ГУТИ), e-mail: [email protected]
Popkov Gleb Vladimirovich, candidate of technical sciences, associate professor, Siberian State University of Télécommunication and Information Sciences, e-mail: [email protected]
УДК 654.924; 621.38.019.3
© А.А. Рогожин, В.А. Дурденко, Б. О. Баторов
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ
В статье рассмотрена проблема подготовки исходных данных при моделировании оценки надежности интегрированных систем безопасности. Систематизированы и доведены до программной реализации расчетные математические модели показателей надежности некоторых элементов интегрированных систем безопасности.
Ключевые слова: интегрированная система безопасности, надежность, показатель надежности, вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, программный комплекс.
A.A. Rogozhin, V.A. Durdenko, B.O. Batorov
DEVELOPMENT OF PROGRAM COMPLEX OF AUTOMATED CALCULATION FOR RELIABILITY INDICATORS OF SOME ELEMENTS IN INTEGRATED SECURITY SYSTEMS
In the article the problem of preparation of basic data while modeling an assessment of the integrated security systems reliability is considered. The calculated mathematical models for reliability indicators of some elements of the integrated systems safety are systematized and prepared for program implementation.
Keywords: integrated security system, reliability, reliability indicator, reliability function, failure rate, program complex.
