CC BY
6УДК 654.9:621.646.958:622.691.4.053
ОЦЕНКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
К. И. Бушмелева, И. И. Плюснин, П. Е. Бушмелев, С. У. Увайсов
Сургутский государственный университет, bkiya@yandex.ru, inplusnin44@mail.ru,
bpe@mail.ru, uvaysov@yandex.ru
Приведена и описана структура телекоммуникационной системы контроля утечек газа из магистральных газопроводов, реализованная с использованием технологий распределенных беспроводных сенсорных сетей. Дана аналитическая оценка разрабатываемой телекоммуникационной системы на основе понятий моделирования систем массового обслуживания.
Ключевые слова: телекоммуникационная система, магистральные газопроводы, беспроводная сенсорная сеть, контроль утечек газа, беспроводные модули, система массового обслуживания.
GAS LEAKAGE MONITORING TELECOMMUNICATION SYSTEM EVALUATION WITH THE
QUEUE SYSTEMS MODELING APPROACH
K. I. Bushmeleva, 1.1. Plyusnin, P. E. Bushmelev, S. U. Uvaisov
Surgut State University, bkiya@yandex.ru, inplusnin44@mail.ru, bpe@mail.ru, vaysov@yandex.ru
A structure of a gas main line leakage monitoring telecommunication system is presented. The system is based on the distributed sensor network technology. The telecommunicating system under development has been reviewed using the queuing system modeling approach.
Keywords: telecommunication system, main gas lines, wireless sensor network, gas leakage monitoring, wireless modules, queuing system.
Магистральные газопроводы (МГ) России представляют собой сложную распределенную систему, общая протяженность линейных участков, по оценке Газпрома, составляет более 160 тыс. км. Проведенный анализ показал, что около 40 % МГ выработали свой номинальный ресурс, который составляет 30 лет. То обстоятельство, что магистрали в большей части проложены в крайне неблагоприятных климатических условиях, обусловливает их интенсивный износ и старение. Поэтому крайне актуальной остаётся проблема мониторинга технического состояния магистралей и оборудования газотранспортных систем [1, 7]. Данной проблеме посвящено много работ как в нашей стране, так и за её пределами [1, 2], а также налажено производство широкого спектра оборудования, используемого для диагностирования и мониторинга МГ. Однако применение на практике этих инструментальных средств не всегда эффективно в силу локального характера их возможностей, а использование глобальных средств мониторинга на основе авиационного и космического зондирования не всегда оправдано. В связи с этим разработка новых методов и средств контроля и мониторинга МГ, выработавших свой номинальный срок службы, является на сегодняшний день крайне важной научной и практической задачей.
Предлагаемая телекоммуникационная система (ТС), предназначена для постоянного контроля и оценки технического состояния МГ. Построена на основе различных программно-аппаратных средств и представляет собой распределенную беспроводную сенсорную сеть (БСС), которая состоит из двух ветвей с N количеством беспроводных модулей (БМ), каждая ветвь охватывает половину расстояния до следующей и предыдущей компрессорной станции, при этом первый модуль устанавливается вблизи ЭВМ. Данная система осуществляет сбор и передачу показаний с распределенных датчиков по обнаружению утечек газа, что в свою очередь позволяет дистанционно осуществлять непрерывный мониторинг МГ в режиме реального времени [3, 4].
БСС реализована в соответствии с требованиями стандарта беспроводной связи ZigBee и позволяет объединить в едином пространстве территориально разнесенные информационно-измерительные ресурсы, основные элементы беспроводной радиосвязи, средства диагностирования, обеспечивая централизованное управление данными ресурсами в целях повышения эффективной работы МГ [8].
Целесообразность внедрения БСС обусловлена объективными преимуществами: высокая надежность; способность к самоорганизации и самовосстановлению в случае сбоев; масштабируемость; длительный срок автономной работы; обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов; низкое энергопотребление.
Сложность реализации ТС обуславливается высокой совокупностью использования различных технологий, которые необходимо применить для получения готового продукта. Достоинством является то, что такая система обладает большой мобильностью и возможностью установки в любом труднодоступном месте МГ. Также несомненным плюсом является получение данных в реальном масштабе времени. Архитектура ТС состоит из трёх основных уровней (рис. 1), клиентский, серверный и уровень БМ.
Рис. 1. Схема архитектуры телекоммуникационной системы
На клиентском уровне система находится на web-сайте клиента под управлением CMS WordPress (система управления содержимым). На территории, покрываемой областью действия БМ, объединённых в единую БСС, возможно подключение любого устройства ЭВМ (карманного персонального компьютера, персонального компьютера, ноутбука и др.) с установленным специализированным программным обеспечением (ПО), что в свою очередь позволит синхронизировать работу ТС, обеспечивая получение необходимой информации, с последующей её обработкой.
На серверном уровне ТС обеспечивает связь БМ-БД-КП. Программное обеспечение выполнено в виде сервиса, написанного на языке Java под Eclipse IDE, что гарантирует не только быструю интеграцию с различными технологиями, но делает данную систему кроссплатформенной. База данных (БД) реализована с помощью системы управления базами данных (СУБД) MySQL и хранилищ в формате XML.
БМ устанавливаются вблизи трубы («5-10 м), на определенном расстоянии друг относительно друга («100 м), на основе учета розы ветров, розы скорости ветра и анализа информации по распространению газового облака. БМ выполняет следующие основные функции: обнаружение утечки газа; фиксирование времени обнаружения; состояние зарядки устройств; передача собственной и ретрансляционной информации. И состоит из: детектора утечки метана (ДУМ) (датчик по обнаружению утечек газа, энергонезависимая память); приёмо-передающего устройства (ППУ) с функцией ретрансляции (управляющий микроконтроллер, приёмопередатчик, встроенная антенна, флэш-память, внешние схемы согласования уровней USB, RS232, цифровой порт); автономного источника питания (аккумулятор, солнечная батарея, ветрогенератор, гибридный регулятор) [3, 4, 10, 11].
Принцип обнаружения утечки газа в ДУМ основывается на процессе диффузионного рассеивания метана в атмосфере. Для этого использовался метод М. Берлянда, основанный на математической модели рассеивания газообразных примесей в атмосфере и поставленных экспериментов, который
позволил рассчитать концентрацию газов в вертикальном и горизонтальном сечении облака метана, а также поля концентраций, создаваемые точечными источниками выбросов из труб [10, 11].
БМ с заданным периодом выполняют аналого-цифровое преобразование и нормализацию сигналов с подключенных датчиков и устройств, а также осуществляют первичную обработку данных. После чего полученные сигналы в виде пакета с цифровыми данными передаются по радиоканалу в точку сбора информации на шлюз [4].
Шлюз осуществляет соединение БМ с серверным уровнем, исполняя роль автономного регистратора показаний, поступающих от БМ, и сохраняет их в энергонезависимой памяти, отмечая время поступления данных, регистрируя предполагаемые утечки газа, отказы на оборудовании, каналов связи и другую служебную информацию для последующего анализа и архивации, а также выдаёт данные по запросу сервера. С помощью специального ПО информация из шлюза загружается на серверный уровень для её последующей обработки, сохранения и отображения.
В зависимости от условий применения системы мониторинга возможны несколько вариантов взаимодействия шлюза и сервера: локальное подключение к серверу по интерфейсу USB, RS-232, RS-485; удаленное подключение к серверу через модем.
Управление ТС осуществляется на уровне клиентского приложения (КП) посредством автоматизированной системой (АС) «Мониторинг», построенной на базе сервис-ориентированных технологий, которые являются наиболее перспективными, за счёт реализации мобильных компонентов, повышающих степень интеграции системы с другими информационными системами газотранспортной отрасли. АС имеет модульную архитектуру, настраиваемую под специфические требования пользователя, взаимосвязь осуществляется через хранилище данных [4, 11]. Данная АС позволяет повысить оперативность получения и передачи информации, обеспечить мониторинг и контроль ТС газопроводов, избежать больших затрат на ремонт и устранение последствий аварий.
Разработка ТС в реальном масштабе времени позволяет не только быстро развернуть её в труднодоступных районах, но и эффектно решать задачи мониторинга газопроводов, предоставляя операторам системы возможность отслеживать наличие утечек газа, а также обнаруживать места несанкционированного доступа и повреждений на объектах МГ.
Аналитическую оценку телекоммуникационной системы контроля утечек газа проведем на основе анализа общесистемного программного обеспечения абонентских вычислительных систем массового обслуживания (СМО) [6].
Если принять, по аналогии с СМО, что в телекоммуникационной системе (укрупнено) существует два потока заявок:
- t-заявки - сообщения, поступающие от сенсоров (датчиков утечки метана и в перспективе от фото-видеокамер, ветрогенераторов и т.п.) по беспроводной сенсорной сети;
- /-заявки, текущая работа ЭВМ (обработка t-заявок, организация обмена данными с СТС, системами управления БД (СУБД), автоматизированными системами управления газотранспортного предприятия и другими клиентскими приложениями).
В качестве критерия эффективности работы такой структуры можно принять среднее время пребывания t- и /»-заявок в сети СМО, при двух обслуживающих приборах: СМОа - ЭВМ или сервер, СМОб - телекоммуникационная (приёмо-передающая) система. При этом существует два возможных варианта обслуживания t- и /-заявок. Первый вариант, когда приоритет в обслуживании отдан /-заявкам и второй - t-заявкам.
В работе [9] описывается СМО, характерная для традиционной структуры построения многотерминальных систем по типу вычислительных сетей. Однако для полного отражения специфики применения ЭВМ в телекоммуникационной системе, необходимо учесть работу СМО и в режиме мультипрограммной смеси задач (МСЗ) - это: сбор и обработка информации, её визуализация, хранение и принятие решений, реализованных посредством автоматизированной системы мониторинга объектов газотранспортной системы на основе беспроводных модулей, подробно описанной в работах авторов К.И. Бушмелева, П.Е. Бушмелев и И.И. Плюснина [2, 5].
В общем виде схема СМО на базе ТС представлена на рис. 2.
Структурная схема СМО для телекоммуникационной системы отражает обмен информацией СМОБ (прием информации от сенсоров, передача по сети и ввод информации для обслуживания (обработки) с постановкой её на очередь в СМОА. При выводе информации из СМОА в СМОБ для даль-
Рис. 2. Структурная схема системы массового обслуживания на базе телекоммуникационной системы: С\ - Сп - сенсоры (для СМО это «¡-пользователи») с приёмо-передающими блоками
нейшей её передачи в ТС (¡-пользователю), очередь отсутствует, так как ввод осуществляется СМОа и начинается сразу же после обслуживания очередной ¿-заявки. Режим обслуживания ^-заявки и режим мультипрограммной смеси задач зависит, как видно из схемы на рис. 1, от состояния СМОа, где в зависимости от приоритета в определенный момент времени обслуживается одна из заявок.
Наиболее общим параметром, характеризующим функционирование СМО в ТС, является среднее время реакции СМО для ¡-пользователя (г = 1, п) Тр, которое имеет вид:
Т = £ т('\
1=1
При этом среднее время задержки сообщения определяется как:
Т® = (щвг - А,Г1,
где с, - пропускная способность канала, связывающего ¡п-пользователя с ¡п__1-пользователем или
наоборот; //, - интенсивность обслуживания заявок каналом; А, - интенсивность поступления заявок на обслуживание; 1//х,с, - среднее время передачи сообщения; 1/А, - среднее время ожидания в очереди. Для телекоммуникационной системы, использующей БСС при п ¡-пользователей, можно задать
поток заявок искусственным путём, при этом он будет стационарным в интервале времени ^ (цикла
п _
обмена информацией), а именно: Л Е Ль (г = 1, п), т.е. суммарный, уже стационарный поток Л, состо-
г=1
ит из цепочки последовательно просуммированных в определенном интервале времени п количества ¿-заявок. При этом ^ t2 — 11, где tl - время поступления информации от сенсоров (или в перспективе от видео, фотокамер); t2 - формирование ответа на данную задачу. Значит, — tl = то, то - интервал времени, в течение которого от ¡-пользователей будут поступать ¿-заявки в виде А,, при этом условием нормировки можно записать:
Л =
t2
X\(t)dt = a(t2 - t1).
Среднее время задержки информации в СМОб находится из выражения, учитывающего момент поступления ¡-го сообщения из т'сообщений:
1
m
Т® = - +
2 fiiOi fiiOi
-(') П Среднее время ожидания обслуживания в очереди СМОа'- T3 = (1 — no)Pm + 1 + Е Piti
i = i
а среднее время обслуживания Т4 в СМОа с учётом МСЗ равно:
П = tP +
KT^T tPT +
Л + Kt\T tv
Л
tPP
Л + KT\T
TII _ jT + KjXJ -Tf + -TP
T _ tA + л + Kt\t ^ + 4 '
где T4 - означает, что приоритет отдан на обслуживание заявок МСЗ, а T4 - приоритет отдан обслуживанию заявок, поступающих от /-пользователей.
В работе были исследованы зависимости Tp _ f (Ts, n, v, r), где 5 € {I, II}, n > 0, v > 0 с использованием метода внутренних штрафных функций, т.е. min f (Ts, n,v, r), r _ 1, n, где указанные величины принимают значения n оо, v оо, Ts 0 [3, 11]. Анализ полученных данных [3, 11] показал, что наиболее предпочтительной является СМО телекоммуникационной системы БСС, в которой при увеличении числа /-пользователей (т.е. n > 100) уменьшается объём выполняемой мультипрограммной смеси задач, это в свою очередь означает, что обработку МСЗ необходимо вести в другой СМОа (СМО по обработке /-заявок), т.е. в ТС функцию СМОа должен выполнять связной процессор.
Таким образом, на основе анализа вычислительных средств СМО была проведена аналитическая оценка ТС, позволившая сделать вывод о предпочтительном использовании БСС при данной реализации, в основу которой должны быть заложены функции управления процессом обмена и преобразования информации между различными устройствами.
В заключение можно отметить, что использование данной ТС контроля утечек газа позволяет развернуть её на любом участке МГ, что в свою очередь приведет к повышению оперативности получения, передачи, обработки и анализа поступающей информации, обеспечению качественного контроля и мониторинга оценки технического состояния газопроводов, как результат можно избежать больших материальных затрат на ремонт и устранение последствий аварий на МГ.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств создания высоконадежных компонентов и систем бортовой радиоэлементной аппаратуры ракетно-космической и транспортной техники нового поколения» (Соглашение № 15-19-10037 от 20 мая 2015 г.) при финансовой поддержке Российского научного фонда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушмелева К. И. Методы и средства диагностирования магистральных газопроводов : монография ; Сургут. гос. ун-т. Сургут : ИЦ СурГУ, 2011. 215 с.
2. Бушмелев П. Е., Плюснин И. И. Автоматизированная беспроводная система мониторинга объектов газотранспортной системы // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий : мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «ИНФО». Сочи, 2010, окт. С. 458-461.
3. Бушмелев П. Е., Расальскис С. А., Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Плюснин И. И. Модель сенсорной сети телекоммуникационной системы контроля утечек метана // Качество. Инновации. Образование. 2015. № 3. С. 28-34.
4. Бушмелев П. Е., Увайсов С. У., Плюснин И. И., Бушмелева К. И. Беспроводная сенсорная сеть обнаружения утечек газа на магистральных газопроводах // Инновационные информационные технологии : мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «I2T-2012». Прага, 2012, апр. С. 377-380.
5. Бушмелева К. И., Плюснин И. И., Бушмелев П. Е. Система автоматизированного мониторинга магистральных газопроводов на основе беспроводных модулей // Инноватика : сб. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы. Томск, 2010, апр. С. 244-248.
6. Коршунов О. А. Расчёт характеристик абонентского пункта при приоритетном опросе удаленных терминалов // Управляемые системы массового обслуживания. Томск : Изд-во Томск. ун-та. 1984. Вып. 3. С. 58-72.
7. Методы мониторинга качества нефтегазовых коммуникаций : монография / К. И. Бушмелева, П. Е. Бушмелев, И. И. Плюснин, С. У. Увайсов ; Сургут. гос. ун-т. Сургут : ИЦ СурГУ, 2014. 252 с.
8. Плюснин И. И., Бушмелев П. Е., Бушмелева К. И., Дергунов Н. В. Модель системы мониторинга объектов газотранспортной сети на основе топологии Mesh // Инновационные информационные технологии : мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «ITI-2013». Прага, 2013, апр. М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. Т. 3. С. 88-94.
9. Теущеков В. Д. О выборе варианта реализации общесистемного программного обеспечения мультипрограммной вычислительной системы // Управляющие системы массового обслуживания. Томск : Изд-во Томск. ун-та. 1984. Вып. 3. С. 165-194.
10. Bushmeleva K. I., Plyusnin I. I., Bushmelev P. E., Uvaisov S. U. Distributed wireless system for monitoring the technical state of objects in gas-transport network // Measurement Techniques. 2013. Vol. 56, № 3. P. 226-231.
11. Bushmeleva K. I., Plusnin I. I., Bushmelev P. E., Uvaisov S. U. Modeling the optimal parameters for a remote sensing device // Measurement Techniques. 2011. Vol. 54, № 3. P. 294-299.
