CC BY
68
УДК 681.3
Р.Р. Галимов
канд. тех. наук, доцент, кафедра вычислительной техники и защиты информации, ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный
университет»
А.И. Пикалов
студент,
кафедра вычислительной техники и защиты информации, ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный
университет»
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Аннотация. В статье предложен подход к оценке надежности сети передачи данных распределенной системы контроля и управления технологическими объектами как значение возможного ущерба вследствие потери сообщений о состоянии промышленного оборудования. Разработанная модель учитывает параметры топологии сети, оценки надежности и производительности телекоммуникационного оборудования и позволяет осуществить выбор оптимальных проектных решений системы передачи данных по степени влияния на качество управления технологическими объектами.
Ключевые слова: оценка надежности, качество управления, распределенная система контроля и управления, беспроводная сеть передачи данных.
R.R Galimov, Orenburg State University
A.I. Pikalov, Orenburg State University
EVALUATION OF RELIABILITY OF THE WIRELESS NETWORK FOR A DISTRIBUTED SYSTEM OF
CONTROL AND MANAGEMENT OF TECHNOLOGICAL OBJECTS
Abstract. The article suggests an approach to assessing the reliability of data communication network distributed control systems and control of technological objects as the value of potential damage due to loss of messages about the state of the industrial equipment. The developed model takes into account the parameters of the network topology, assess the reliability and performance of telecommunications equipment and allows a choice of optimal design solutions of the data transmission system according to the degree of influence on the quality of management of technological objects.
Keywords: evaluation of reliability, quality control, distributed system control and management, wireless data
network.
Эффективность систем контроля и управления технологическими объектами (ТО) определяется качеством работы всех подсистем. Сбои и неполадки в работе оборудования приводят к ухудшению качества управления технологическими объектами и процессами, что определяет необходимость обеспечения требуемого уровня надежности подсистем, в том числе и телекоммуникационной. Особую значимость задача обеспечения высокой отказоустойчивости подсистемы передачи данных приобретает для распределенных систем контроля и управления (РСКУ), характеризующихся большим количеством ТО, размещенных на значительной территории. При размещении технологических объектов в труднодоступных местах часто применяется радиоканал, позволяющий снизить стоимостные затраты на построение подсистемы передачи данных.
При проектировании и модернизации беспроводных вычислительных сетей РСКУ ТО возникает задача выбора оптимальных проектных решений по обеспечению требуемого уровня надежности, с учетом возможного влияния на качество контроля и управления технологическими объектами. В связи с этим существует необходимость в методах и средствах оценки качества решений по обеспечению отказоустойчивости подсистемы передачи данных РСКУ ТО.
Вопросам оценки и обеспечения надежности телекоммуникационных систем (ТС) посвящено множество работ, в частности данные вопросы рассмотрены в работах [1; 2]. Несмотря на значимость данных работ, необходимо отметить, что в них в недостаточной степени учитывается влияние параметров надежности на обеспечение требуемого уровня качества технологических процессов. В связи с этим существует необходимость в разработке методов оценки надежности телекоммуникационной системы, с учетом влияния на качество технологического процесса.
Целью работы является разработка модели оценки надежности телекоммуникационной системы, с учетом влияния на качество управления технологическими объектами.
На рисунке 1 представлена обобщенная графовая схема беспроводной телекоммуникационной системы РСКУ, основными элементами которой являются источники данных (ИД), ретрансляционные станции (РС) и диспетчерский пункт (ДП). ИД формируют поток сообщений на диспетчерский пункт о состоянии технологического объекта. При невозможности непосредственной передачи данных от источника данных на диспетчерский пункт из-за слабого уровня сигнала используются ретрансляционные узлы. Штриховые линии на рисунке определяют резервные линии связи, позволяющие повысить оценку вероятности достижения сообщений на ДП от определенных источников данных. На ДП пункте принимаются решения по управлению технологическими объектами с учетом их состояний.
Качество управления РСКУ зависит от достоверности и оперативности получения данных о состоянии ТО, во многом определяющееся параметрами ТС. В данной работе не достоверные и не своевременно полученные данные рассматриваются как потерянные сообщения. В результате анализа литературы [3] были выявлены основные факторы, влияющие на потери сообщений в беспроводной ТС системы контроля и управления ТО:
- уровень радиосигнала у приемника, определяющийся топологией расположения узлов телекоммуникационной системы;
- непосредственно оценками надежности телекоммуникационного оборудования;
- пропускной способностью ретранслирующих узлов.
Рисунок 1 - Графовая модель системы управления
Оценка надежности ТС в данной работе определяется как ухудшение качества управления технологическим процессом 05:
где Э = <Х, и> - граф, определяющий параметры по топологии телекоммуникационной системы; Х= ХР VХИд - множество вершин источников данных и ретрансляторов ТС, и - множество взвешенных ребер, определяющие каналы связи между узлами ТС; Рг = <ц1, ц2... - вектор значений интенсивностей обслуживания ретрансляторов; А=<АЬ А2... Лд/> - вектор значений интенсивностей потоков сообщений от источников
05=Е(в, Рг, Н, А, I),
(1)
данных;
ЛЕ=<М1, КН2... - вектор значений интенсивностей потоков отказов ретрансляторов;
MR=<yr1, цг2... угм> - вектор интенсивностей потоков восстановления работоспособности ретрансляторов;
2 =<гьг2,...гм> - вектор средних оценок стоимостного ущерба от потери сообщений с данными о состоянии /'-го технологического объекта.
Ухудшение качества управления ТП в данной работе предлагается оценивать как среднее значение возможного ущерба вследствие потери сообщений от ИД, определяющееся параметрами топологии, надежности и производительности:
= *IЧ *г,,
(2)
1=1
где / ф 1,э/ ф Б1 ф 0, 5\д | = 1 7/ - среднее значение времени нахождения системы в состоянии
5/ за период эксплуатации 7;
1-51 - количество потерянных сообщений от]-го источника данных при состоянии ТС в,- с учетом производительности ретранслирующих устройств;
25/ - среднее значение оценки ущерба из-за потерь пакетов в состоянии 5/;
5/ - состояние телекоммуникационной системы, характеризующееся множеством отказавших ретрансляционных устройств р.
Значение оценки ущерба вследствие потерь пакетов в состоянии 5( зависит от среднего значения времени интервала нахождения ТС в данном состоянии и уровня потерь сообщений из-за недостаточной производительности при данной топологии.
Среднее время нахождения ТС системы в определенном состоянии 5( является случайной величиной, зависящей от значений интенсивности потоков отказов ар и восстановления ретрансляторов mr. На рисунке 2 представлены временные диаграммы временных интервалов отказов и восстановления для 3 ретрансляторов. На схеме прямоугольный импульс определяет интервал времени восстановления ретранслятора. Импульсы восстановления нескольких устройств могут пересекаться во времени. Индексы в обозначении интервалов времени восстановления определяют множество неработоспособных устройств. Так, интервал 712 определяет состояние системы, когда не работоспособны ретрансляторы 1 и 2.
О Т(час)
Рисунок 2 - Временные диаграммы потоков отказов 3 ретрансляторов
Среднее время нахождения телекоммуникационной системы в определенном состоянии 5( за период эксплуатации 7 характеризуется интенсивностью совмещенных отказов р, и средней их оценкой длительности Н/:
/=1
т(Б,,Т) = Т* Д *Я, -^(Б,,Т), (3)
I Ф у, Б, Ф Б] *0,5,.^ = 1. (4)
Условия (4) определяют множество состояний телекоммуникационной системы, которые содержат на 1 элемент больше отказавших узлов, чем у Б,. Для вычисления интенсивности совмещенных отказов и их средней длительности предлагается использовать формулы, представленные в работах [4; 5].
Потери сообщений ,-го типа от источника данных до точки сбора при состоянии системы Бу ¡.у, определяется работоспособностью ретрансляторов, формирующих маршрут, наличием резервных маршрутов и производительностью ретрансляционных узлов:
- при отказе ретрансляторов маршрута и при отсутствии у источников данных резервных каналов связи теряется весь поток сообщений за период восстановления узлов;
- при наличии резервных каналов связи потери определяются временем переключения на резервный маршрут и производительностью ретрансляционных узлов, с учетом дополнительной нагрузки;
- при работоспособности всех узлов потери сообщений определяются.
Потери, связанные с производительностью средств обработки ретрансляционных узлов, определяются моделями систем массового обслуживания, с учетом параметров топологии, заданным графом
Достоинством данного подхода оценки надежности телекоммуникационной системы является учет влияния на качество управления технологического процесса и позволяет получить количественные оценки при использовании основных методов повышения отказоустойчивости.
Таким образом, предложенный подход оценки надежности беспроводной телекоммуникационной системы РСКУ позволяет осуществить выбор проектных решений, направленных на обеспечение отказоустойчивости на основе структурной и параметрической избыточности. В дальнейшем в данной модели необходимо учесть такие параметры, как увеличения вероятности потери сообщений для беспроводных линий связи от расстояния вследствие ослабления радиосигнала. При этом для оценки отказоустойчивости беспроводной телекоммуникационной системы РСКУ за приемлемое время необходимы программные средства автоматизации расчетов.
Список источников:
1. Перфильев А.Е. Модели и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах». - М., 2012. - С. 110-122.
2. Ямбулатов Э.И. Разработка отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникационными сетями: дис. канд. техн. наук: 05.13.01 / Ямбулатов Э.И.; [Место защиты: ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»]. - Ставрополь, 2014. - 169 с.
3. Аралбаев Т.З., Галимов Р.Р. Структурно-параметрический и структурно-топологический синтез РСКУ объемами нефтегазодобычи / Т.З. Аралбаев, Р.Р. Галимов. - Уфа: АН РБ, Гилем, 2010. - 144 с.
4. Седякин Н.М. Элементы теории случайных импульсных потоков. - М.: Советское радио, 1965.
5. Рябинин И.А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. - М.: Радио и связь, 1981. - 264 с.
