CC BY
18
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
УДК 681.586.783 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-2-41-47
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОГО ДИСПЕТЧЕРСКОГО ПУНКТА МИКРОТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА*
© 2020 г. М.Б. Хорошко1, А.А. Гуммель1, А.В. Батюков1, В.С. Пузин1, А.С. Косарев1, М.А. Земляной2
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия,
2ООО ПСК «Гидрострой», г. Новороссийск, Россия
SOFTWARE OF THE TOP LEVEL OF THE COMPUTER SYSTEM OF THE MOBILE DISPATCHER POINT OF THE MICROTUNNELING
SHIELD
M.B. Khoroshko1, A.A. Gummel1, A.V. Batyukov1, V.S. Puzin1, A.S. Kosarev1, M.A. Zemlyanoy2
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2LLC PSK «Gidrostroy», Novorossiysk, Russia
Хорошко Максим Болеславович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Информационные и измерительные системы и технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: clevermaks@yandex.ru
Гуммель Андрей Артурович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: gummel@rambler.ru
Батюков Александр Владимирович - аспирант, ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: Alexbatyukov@gmail.com
Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, НИИ «Электромеханики», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vspuzin@gmail.com
Косарев Андрей Сергеевич - мл. науч. сотрудник, НИИ «Электромеханики», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: kosarev_a_s@mail.ru
Земляной Михаил Александрович - канд. техн. наук, директор, ООО ПСК «Гидрострой», г. Новороссийск, Россия. E-mail: p218_gidrostroy@mail.ru
Khoroshko Maxim B. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Information and Measuring Systems and Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: clevermaks@yandex.ru
Gummel Andrey A. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Electromechanics and Electrical Apparatus», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: gummel@rambler.ru
Batyukov Alexander V. - Graduate Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: Alexbatyukov@gmail.com
Puzin Vladimir S. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: vspuzin@gmail.com
Kosarev Andrey S. - Junior Researcher, Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: kosarev_a_s@mail.ru
Zemlyanoy Michail A. - Candidate of Technical Sciences, Director, LLC PSK «Gidrostroy», Novorossiysk, Russia. E-mail: p218_gidrostroy@mail.ru
*
Работа выполнена в ЮРГПУ(НПИ) при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 074-11-2018-010 от 5 июня 2018 г. по теме: «Создание высокотехнологичного производства импортозамещающего горнопроходческого оборудования, оснащенного интеллектуальными системами управления, для освоения подземного пространства городов».
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
Рассмотрены вопросы приема, обработки, визуализации и хранения информации от параметрических датчиков проходческого щита МТПК, отображение фактической и проектной траектории движения проходческого щита МТПК, визуализация и информирование об аварийных режимах работы МТПК, отображение положения корпуса проходческого щита МТПК в пространстве. Разработана структурная схема программы вычислительной аппаратуры дистанционного мониторинга, кроме основной структуры данных разработана и протестирована система защиты от несанкционированного доступа. Произведено разграничение прав доступа, реализованное в соответствии с ролями пользователей. Структура вычислительной системы реализована практически и осуществляется ее отладка в опытном режиме.
Ключевые слова: микротоннелепроходческий комплекс; вычислительная система; низкоуровневое и верхне-уровневое программное обеспечение; сервер.
The issues of receiving, processing, visualizing and storing information from parametric sensors of the mtpc tunneling Board, displaying the actual and design trajectory of the mtpc tunneling Board, visualizing and informing about emergency modes of operation of the MTPC, displaying the position of the mtpc tunneling Board body in space are considered. A block diagram of the program for remote monitoring computing equipment has been developed, in addition to the main data structure, a system for protection against unauthorized access has been developed and tested. Access rights were differentiated according to user roles. The structure of the computer system is implemented practically and its debugging is carried out in experimental mode.
Keywords: microtunneling complex; computer system; low level and high level software; server.
Микротоннелепроходческий комплекс (МТПК) предназначен для выполнения и крепления горизонтальных и наклонных горных выработок для строительства сетей самотечной и напорной канализации, дождевой канализации, защитных футляров для прокладки водопровода, кабелей, теплотрасс, газопроводов и других подземных коммуникаций круглого поперечного сечения диаметром 1400 мм с углом наклона не более 12° в породах с коэффициентом крепости до трёх по шкале проф. М.М. Протодьяконова и в обводненных грунтах с коэффициентом фильтрации до 40 см/сутки на расстоянии не менее 100 м между стартовой и приемной шахтами в условиях плотной городской застройки, без вскрытия поверхности и нарушения ландшафта [1].
Одной из его основных подсистем (рис. 1), определяющих качественные и количественные параметры, является вычислительная система аппаратуры сигнализации и управления, предназначенная для дистанционного контроля и управления процессом возведения горных выработок с использованием проходческого щита МТПК и отображения информации о его состоянии.
Вычислительная система осуществляет прием, обработку, визуализацию и хранение информации от параметрических датчиков проходческого щита МТПК, отображение фактической и проектной траектории движения проходческого щита МТПК, визуализацию и информирование об аварийных режимах работы МТПК, отображение положения корпуса проходческого
щита МТПК в пространстве. В соответствии с этим система должна иметь в своем составе аппаратные и программные средства для приема, обработки и отображения данных параметрических датчиков, систем зондирования, позиционирования, ведения и электропитания, принимаемых от аппаратуры сигнализации и управления МТПК, позволяющие в режиме реального времени проводить контроль и дистанционный мониторинг горнопроходческих работ МТПК.
Функционирование вычислительной системы обеспечивается программными средствами (рис. 2), одно из которых является низкоуровневым и находится в памяти программируемого логического контроллера (ПЛК). С его помощью осуществляется прием данных от проходческого щита МТПК, их первичная обработка, вывод сигналов аварии и индикация состояния комплекса на пульте оператора мобильного диспетчерского пункта, центра контроля и дистанционного мониторинга горнопроходческих работ, обеспечивается прием-передача данных с ПЭВМ вычислительной системы. Другая часть программных средств («верхнеуровневая») находится в памяти ПЭВМ. Под ее управлением обеспечиваются функции аппаратуры дистанционного мониторинга в части приема-передачи данных с ПЛК пульта оператора, приема команд оператора, обработки принятых данных и команд оператора, отображения визуальной (графической) информации на экране оператора (рис. 3) и организации базы данных.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
ПЭВМ рабочего места оператора МТПК
Ethernet BASE100-T
Мобильный диспетчерский пункт
rnEthernet BASE100-T
Панель управления рабочего места оператора МТПК
1
RS - 485 *
Проходческий щит
Система контроля и управления проходческого щита МТПК
^ ▲ ▲ GSM / LTE
§ й „
Оператор связи Оператор связи (резерв)
» Ж
Internet
t
Оператор связи
▲
Ж Центр дистанционного мониторинга
ПЭВМ рабочего места
оператора центра проходческих работ
дистанционного мониторинга
проходческих работ
Рис. 1. Структурная схема организации связи между укрупненными функциональными блоками МТПК / Fig. 1. The block diagram of the organization of communication between the integrated functional blocks of the MTPK
Низкоуровневое ПО Вехнеуровневое ПО
Рис. 2. Структурная схема программы вычислительной аппаратуры дистанционного мониторинга / Fig. 2. Block diagram of a remote monitoring computing equipment program
Аварийные сигналы
Сеть 380 В МТПК СН4 Отклонение от оси Водоприток Передвижка Маслостанц. ГП Система зондирования Система Автоматизация вывода на управления ось
• CÜ2 Электрокабель Водонас. ГРУНТ Шнековый перегруж. Маслостанц. СГУ Система позиционир. Ручное управление
ПЩ • МТЗ Тепловая защита Нарушение изоляции Утечка тока Нулевая защита
СТОП
Авария ПЩ МТПК
Откл. звуковой сигнал
Напряжение А: 380 В Напряжение В : 380 В Напряжение С: 380 В
Ток: 0 А
Мощность: 0 кВт
Управление МТПК
Машинист ПЩ
Оператор МДП
Рис. 3. Главный экран / Fig. 3. Main screen
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Верхнеуровневое программное обеспечение разработано в концепции клиент-серверной технологии [2]. Распределение модулей по серверам показано на рис. 4.
Модуль отображения информации и приема команд функционирует на веб-сервере и реализован на Node JS (выбран из-за более высокой производительности, с учетом работы системы в режиме реального времени) [3, 4], при этом всю необходимую информацию он запрашивает с базы данных. Для просмотра необходимой информации оператору требуется браузер.
Сервер баз данных используется для хранения базы данных (БД). В качестве системы управления базами данных (СУБД) выбрано Mongo DB, которая позволяет более гибко изменять структуру данных, передаваемых от ПЛК. Данные приходят в виде объекта и записываются в БД без предварительной обработки и разбора. Такое решение позволяет повысить скорость реакции на изменение и уменьшить время от поступления данных до отображения у пользователя. БД содержит информацию, пришедшую от пользователя и от ПЛК. Оператор с правами администратора может просмотреть все данные, отправленные в ПЛК от пользователя, и пришедшие данные от ПЛК.
Модуль обработки и передачи команд функционирует на сервере управления (реализован на Node JS) и обеспечивает устойчивое соединение с ПЛК. Модуль опрашивает ПЛК с заданным интервалом (1 секунда), и в случае изменения данных, т.е. изменения состояния комплекса, их обновленные значения передаются в базу данных. Кроме получения данных от ПЛК сервер управления отслеживает управляющие
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
команды от оператора и в случаи необходимости передает данные [5].
Для обмена данными с ПЛК используется протокол ModBus TCP. Процесс взаимодействия с ПЛК реализован по следующему алгоритму:
1. Считываются данные из всех регистров.
2. Проверяется, изменилось ли состояние. Для этого запоминается хеш-значение предыдущего состояния или считывается из базы данных. Таким образом, сравнивается хеш-значение текущего состояния и предыдущего. Если состояние изменилось, то шаг 3. Иначе - шаг 5.
3. Выполняется цикл по каждому регистру. При этом размер регистров - 2 байта. В них хранятся значения различных типов. В нашем случае:
- битовые значения - в качестве флага, для оповещения что датчик сработал. В этом случае 2 байта переводятся в биты и считываются значения;
- целые значения - типа Word. В этом случае значение соответствует полученному значению из регистра;
- целые значения - типа Byte. В этом случае полученное значение делится пополам побитно, и каждая часть преобразуется в соответствующее значение;
- вещественные значения - типа Real. Для хранения вещественного числа используется 4 байта. Соответственно оно хранится в двух регистрах. Данная операция на Node JS показана на рис. 5. На вход функции подаются значения двух регистров, далее они заносятся в массив, соблюдая порядок, и переносятся в буфер. Из буфера считывается значение как вещественное число.
4. Полученные значения сохраняются в базе данных.
5. Завершается работа функции.
Модуль отображения Модуль обработки
информации и приема команд и передачи команд МТПК
Рис. 4. Схема взаимодействия программного обеспечения вычислительной системы / Fig. 4. The interaction scheme of the software of a computing system
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
inputToReal = function (valuel, value2) { let arr = new Uint16Array(2); arr[1] = value2; arr[0] = valuel;
let buffer = Buffer.from(arr.buffer); return (buffer.readFloatLE(0).toFixed(6));
};
Рис. 5. Пример преобразования / Fig. 5. Conversion example
Во время работы программного комплекса возможна потеря связи с проходческим щитом МТПК, в этом случае оператору отображается соответствующее сообщение. Потеря связи отслеживается по: невозможности получить данные от ПЛК и невозможности записи управляющих сигналов от оператора в ПЛК (передача всех данных проходит с контролем записи, т.е. после каждой записи происходит считывание записанных значений и их сверка).
Благодаря такой структуре удалось достичь высокой скорости (максимальная задержка составляет 2 секунды) передачи данных от оператора комплексу и от комплекса оператору.
Кроме основной структуры данных разработана и протестирована система защиты от несанкционированного доступа. Основные угрозы для данной системы следующие (рис. 6): взлом / подбор пароля пользователя; перехват данных управления и их искажение; получение физического доступа к серверу; разграничение прав пользователей [6, 7].
Сервер базы данных. Угроза: физический доступ
Угроза: перехват управления, вход
в систему ....т
Рабочее место оператора. Угроза: получение доступа
т
Угроза: искажение данных _1_
Программно-логический контроллер
получение физического доступа ограничено пропускной системой.
Подбор пароля. Для защиты от подбора пароля приняты следующие меры. Ограничено число ошибок ввода неправильного пароля. При вводе пароля более трех раз неправильно аккаунт блокируется и его разблокировать может только администратор. При блокировке пароля администратора необходимо на сервере запустить специальную процедуру восстановления пароля. В итоге вероятность подбора пароля близка к нулю. При этом при регистрации пароля учитывается его сложность. Простые пароли не допускаются.
Перехват данных. Данные, которые можно перехватить - это хеш-запись пароля и управленческие команды. Сервер формирует устойчивое соединение с ПЛК. Отправленные данные сохраняются в ПЛК, сервер затем делает запрос на проверку записанных данных и если это ошибочные данные, то повторяется запрос. При повторной неудачной попытке выдается оповещение оператору. Также ПЛК поддерживает только одно соединение на обмен данными, если сервер не сможет передать данные, то оператор об этом также получит уведомление. Самое слабое место - это получение доступа к системе. Взломать и подобрать пароль, как было показано выше, проблематично. Остается основная проблема - перехват хеш-значения пароля и его расшифровка. Для проверки возможности получения пароля методом перебора проведен эксперимент скорости подбора пароля для различных алгоритмов (табл. 1). Эксперимент проводился на компьютере (Intel Core ¡7-9700K, 16 Гб DDR4).
Таблица 1 / Table 1 Экспериментальные данные / Experimental data
Рис. 6. Места уязвимости / Fig.6. Places of vulnerability
Рассмотрим, более детально возможные угрозы.
Получение физического доступа к серверу. Данная система функционирует в закрытой сети со строго назначенными IP адресами, что не позволяет подключиться к системе «снаружи». Поэтому злоумышленник должен получить доступ к сети изначально. То есть ему необходимо войти в систему, подменить IP адрес или получить физический доступ к компьютеру. Данные меры приняты на организационном уровне. Также
Алгоритм Скорость перебора в секунду
MD5 16 000 000
SHA-1 5 900 000
SHA256 2 050 000
SHA512 220 000
bcrypt 8 500
Лучшим алгоритмом для решения этой задачи на данный момент является Ъегур1 [8 - 10]. При этом алгоритм был усложнен, добавлена «соль» (строка данных, состоящая из случайных символов) и несколько итераций, так как уже сейчас есть системы, позволяющие перебирать пароли со скоростью в 300 миллионов в секунду благодаря использованию быстродействующих
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Стандартный вариант использования «соли» - это ее установка в конце пароля, в таком случае можно ее вычислить. Но когда случайные символы добавляются в случайные места, то вероятность вычислить пароль даже после его расшифровки является трудной задачей.
Разграничение прав доступа реализовано в соответствии с ролями пользователей, которые изображены на диаграмме использования (рис. 7). Оператор МТПК после авторизации входит в систему управления комплексом, используя веб-интерфейс, где на главном экране отображены знаки аварийных сигналов, информация о питании, о методе управления и имеется возможность остановить комплекс. В случае срабатывания аварийной сигнализации красным подсвечивается индикатор соответствующей аварии и отображается в виде анимации текущая операция МТПК.
Рис. 7. Диаграмма вариантов использования / Fig. 7. Use case diagram
Оператор, используя веб-интерфейс, следит за состоянием комплекса, задает координаты движения и другие данные и, при необходимости, может в любой момент остановить проходческий щит МПТК. Веб-сервер запрашивает данные у сервера базы данных, если они изменились, отображает новые данные у оператора без перезагрузки страницы с суммарной задержкой не более двух секунд (время от события на комплексе до отображения данных у оператора).
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2 Выводы
1. Установлена целесообразность применения линейной модели взаимодействия модулей верхнеуровневого программного обеспечения вычислительной системы аппаратуры мониторинга МТПК, которые функционируют на отдельных серверах для обеспечения требуемого быстродействия.
2. Для промышленных систем управления технологическим оборудованием является применение системы защиты, учитывающей возникновение угроз на различных уровнях взаимодействия: организационном, техническом и информационном.
В заключение следует отметить, что предложенная структура вычислительной системы реализована практически и осуществляется ее отладка в опытном режиме.
Литература
1. Сетевое издание РИА Новости [Электронный ресурс]. Режим доступа https://realty.ria.ru/20190808/1557297082.html свободный.
2. Коржов В. Многоуровневые системы клиент-сервер. Издательство Открытые системы (17 июня 1997). <http://www.osp.ru/nets/1997/06/142618/> (29.04.2020)
3. Дейли Б., Дейли Б., Дейли К. Разработка веб-приложений с
помощью Node.js, MongoDB и Angular: исчерпывающее руководство по использованию стека MEAN // Web Development with Node and Express. 2-е изд. СПб.: «Диа-лектика-Вильямс», 2020. 656 с.
4. Янг А., Мек Б., Кантелон М. Node.js в действии. 2-е изд. СПб.: «Питер», 2018. 432 с.
5. Вирт Никлаус. Алгоритмы и структуры данных. Новая версия для Оберона. М.: «ДМК Пресс», 2010.
6. Morris R., Thompson K. Password security: a case history //
Communications of the ACM : журн. ACM New York, NY, USA, 1979. Vol. 22, no. 11. P. 594 - 597.
7. Kaliski B. PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification Version 2.0 (September 2000). <http://www.ietf.org/rfc/rfc2898.txt> (29.04.2020)
8. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. М.: Триумф, 2002.
9. Ah Kioon, Mary Cindy, Wang Z., Deb Das S. Security Analysis of MD5 Algorithm in Password Storage // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 2706 - 2711. doi:10.4028/WWW. SCIENTIFIC.NET/AMM. 347-350.2706
10. Provos Niels, Mazieres David. A Future-Adaptable Password Scheme // Proceedings of 1999 USENIX Annual Technical Conference. 1999. С. 81 - 92.
References
1. Network edition of RIA Novosti [Electronic resource]. Access mode https://realty.ria.ru/20190808/1557297082.html free.
2. Korzhov V. Multilevel client-server systems. Open Systems Publishing House (June 17, 1997). <http://www.osp.ru/nets/1997/06/142618/> (04.29.2020).
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
3. Daily B., Daily B., Daily C. Web Application Development Using Node.js, MongoDB, and Angular: A Comprehensive Guide to Using the MEAN Stack // Web Development with Node and Express. - 2nd ed. St. Petersburg: "Dialectics-Williams", 2020. 656 p.
4. Young A., Mek B., Cantelon M. Node.js in action. - 2nd ed. St. Petersburg: "Peter", 2018. 432 р.
5. Wirth N. Algorithms and data structures. New version for Oberon. M.: "DMK Press", 2010.
6. Morris R., Thompson K. Password security: a case history // Communications of the ACM: Journal. - ACM New York, NY, USA, 1979. Vol. 22. No. 11. P. 594 - 597.
7. Kaliski B. PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification Version 2.0 (September 2000). <http://www.ietf.org/rfc/ rfc2898.txt> (29.04.2020).
8. Schneier B. Applied cryptography. Protocols, algorithms, source codes in the C language. M.: Triumph, 2002.
9. Ah Kioon, Mary Cindy, Wang Z., Deb Das S. Security Analysis of MD5 Algorithm in Password Storage // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 2706 - 2711. doi:10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/AMM.347-350.2706
10. Provos Niels; Mazieres David. A Future-Adaptable Password Scheme // Proceedings of 1999 USENIX Annual Technical Conference. 1999. Р. 81 - 92.
Поступила в редакцию /Received 29 мая 2020 г. /May 29, 2020
