CC BY
52
Абрамов Дмитрий Александрович, асп., sipai-dima@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TRACKING IN THE PROBLEMS OF SAFETY
V .L. Tokarev, D. A. Abramov
The problems of constructing a system of video analysis to detect abnormal situations. We propose a method of tracking the trajectories of objects of interest.
Keywords: video analysis system, tracking the trajectories of objects.
Tokarev Vyacheslav Leonidovich doctor of technical science, docent, toka-rev22@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Abramov Dmitry Alexandorovich, postgraduate, sipai-dima@mail.ru , Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.75
РЕАЛИЗАЦИЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ИНФРАСТРУКТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ. ЯЗЫК PIML
Н.В. Хлебцов, Ф.А. Данилкин, А.В. Новиков
В статье описан метод повышения эффективности реализации систем мониторинга инфраструктурных проектов за счет введения специального языка программирования PIML, кроссплатформенного интерпретатора PIME и компилятора PIML-PIME. Описываются задачи связки PIML-PIME и ее применения в контексте систем мониторинга.
Ключевые слова: инфраструктурный проект, мониторинг, интерпретатор, PIML, PIME.
Возникновение и развитие чрезвычайных ситуаций (ЧС) является спонтанным и трудно прогнозируемым процессом, для локализации и ликвидации которого необходимо свести к минимуму время сбора информации о месте, типе и масштабе ЧС. Координирование действий аварийноспасательных служб должно базироваться на информации о динамике развития ЧС. Для решения этих задач может применяться комплексная система мониторинга инфраструктурных объектов.
Разработка Системы базируется на данных инфраструктурного про-
екта, описывающего объект мониторинга. Под инфраструктурным проектом понимается совокупность действий и их последовательность по созданию и (или) реконструкции конкретного объекта или технологического комплекса инфраструктуры, их последующему использованию (эксплуатации), реализуемых на основании проектного соглашения [1].
На основании этого определения в [2] выделяются следующие особенности мониторинга состояния при реализации инфраструктурного проекта: необходимость мониторинга объектов без наличия необходимых нормативных документов, необходимость в большом объеме ресурсов, задействованных при реализации проекта, сложность задачи динамического расширения зоны мониторинга вместе с развитием инфраструктурного объекта.
Стандартный подход к разработке системы мониторинга заключается в разработке и утверждении полной структуры системы до момента начала ее внедрения в виде технического задания и других нормативных документов. Любое расширение системы должно сопровождаться введением новых нормативных документов и нового цикла разработки. Исходя из этого, можно определить следующие сложности реализации стандартного подхода к построению Системы.
1. Длительность разработки системы мониторинга.
2. Сложность постоянного, динамичного масштабирования внедренной системы.
3. Отсутствие возможности предварительного комплексного обследования объекта.
4. Затруднения в межподсистемном взаимодействии при обмене информацией, связанные с тем, что в настоящее время системы мониторинга реализуются несколькими разработчиками, которые, в ряде случаев, придерживаются различных стандартов и протоколов обмена информацией.
В качестве комплексного решения представленных проблем предлагается разработка и использование высокоинтегрированного механизма разработки и эксплуатации системы мониторинга. Разрабатываемый механизм состоит из следующих основных частей:
- PIML - (англ., Portable Infrastructure Monitoring Language) - язык программирования высокого уровня, ориентированный на высокоэффективную разработку систем мониторинга различной конфигурации;
- PIME - (англ., Portable Infrastructure Monitoring Engine) - интерпретатор языка высокого уровня PIML. Реализации PIME являются порти-руемыми и используются на всех уровнях Системы;
- компилятор PIML - преобразует исходный код на языке PIML в битовый код интерпретатора PIME.
Схема взаимодействия между элементами механизма представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Взаимодействие между элементами РТИЬ-компилятор-РТИЕ
Язык PIML представляет собой язык программирования высокого уровня и является событийно-ориентированным языком. Эффективность языка определяется временем, необходимым для реализации определенной задачи. Синтаксис языка направлен на повышение эффективности описания систем мониторинга за счет таких факторов, как:
- сквозное проектирование Системы;
- уменьшение объема исходного кода ПО;
- снижение вероятности возникновения непреднамеренных ошибок в исходном коде.
Программная реализация на языке PIML представляет собой набор программных модулей, оформленных в виде текстовых файлов с различными расширениями. Язык поддерживает 5 типов модулей, отличающихся по характеру выполняемых задач:
- *.б1ш - хранение системных данных, данных о датчиках, служебных констант;
- *.ю - управление входами и выходами устройства;
- *.ехес - реализация программируемой реакции на события;
- *.&Бр - описание отображения данных с устройства;
- *.ехсИ - описание протокола обмена между устройствами.
Модули типа *.б1ш описывают механизмы хранения данных, доступные в устройстве. Описанные механизмы определяют место хранения глобальных переменных, необходимость их хранения при пропадании напряжения питания, предоставляют методы формирования массивов в памяти. На основе методов, предоставляемых объектами типа *.б1ш осуществляется хранение таких данных, как информация о подключенных датчиках, системные калибровки, служебные константы и т.д.
Модули типа * .ю представляют собой описание работы с входами и выходами устройства. Модули позволяют реализовать инициализацию портов ввода-вывода различного типа (дискретные, аналоговые), осуществить анализ данных с датчиков, управление исполнительными механизма-
ми.
Модули типа *.ехес посредством модулей *.ю осуществляют автоматизированное управление подключенными исполнительными механизмами, реализуя программируемую реакцию на события.
Модули *.&Бр формируют пользовательский интерфейс, определяя тип и метод отображения для системных переменных. Также с помощью этих модулей производится описание возможного управления переменными.
Модули *.ехсИ описывают механизмы обмена между устройствами. На основе данных *.ехсИ производится выбор и настройка протокола обмена, резервирование каналов связи, прием и передача данных.
Отношения между модулями языка PIML представлено на рисунке 2.
Рис. 2. Отношения между модулями языка РШЬ
Интерпретатор Р1МЕ предназначен для исполнения скомпилированного исходного кода системы, описанной на языке PIML. Использование интерпретатора PIME имеет следующие преимущества:
- увеличение надежности за счет разделения ядра системы и исполняемого кода;
- уменьшение объема исполняемого модуля;
- направленность событийно-ориентированную обработку данных;
- рассчитываемая ресурсоемкость ядра PIME;
- обеспечение возможности внесения изменений в Систему без приостановки ее функционирования;
- переносимость кода ядра системы между высокопроизводительными процессорами и микроконтроллерами встраиваемых решений;
- уменьшение накладных расходов на передачу данных мониторин-
га.
Взаимодействие между интерпретатором PIME и исходным кодом, написанным на языке PIML, осуществляется путем компиляции исходного кода на PIML в исполняемый модуль, используемый PIME. Исполняемый модуль представляет собой оптимизированные команды интерпретатора PIME, упакованные в битовый код [4]. Применение компилятора позволяет осуществить лексический анализ написанной программы до ее исполнения, что существенно повышает вероятность нахождения невынужденных ошибок в коде. Также преобразование кода PIML в битовый код позволяет сократить объем исполняемого кода по сравнению с использованием интерпретатора напрямую с языка PIML.
Особенностью применения связки PIML-PIME является то, что вся система мониторинга описывается единым проектом. В процессе компиляции происходит анализ и разделение элементов проекта на исполняемые модули, которые будут использоваться в отдельных элементах структуры Системы.
В качестве примера применения PIML-PIME можно рассмотреть систему мониторинга, описанную в [3, 5]. Система имеет иерархическую структуру. Пример типовой структуры системы приведен на рисунке 3.
Она состоит из следующих объектов:
- интеллектуальные модули - формируют сеть датчиков и каналов управления исполнительными механизмами. Содержат информацию об объекте установки;
- концентраторы - реализуют функции первичной обработки информации, ее классификации, формализации, оперативного хранения, интерпретации поступивших команд. Устанавливаются на оконечных объектах мониторинга;
- узлы мониторинга - формируют распределенную сеть сбора и обработки информации. Обеспечивают прямое предоставление оперативной информации с различной степенью детализации для уменьшения нагрузки на узлы более высокого уровня;
- кластер БД системы мониторинга - собирает и хранит информацию об иерархической структуре КСМ СР. Предоставляет архивные данные по изменению обстановки за прошлые периоды времени. Средствами кластера БД реализуются функции резервирования данных, регистрации новых объектов, разграничение прав доступа к компонентам системы;
- АРМ - получает и отображает информацию о доступных для мониторинга объектах системы, реализует функции управления извещателя-ми.
При программном описании системы должно быть осуществлено решение задач различного уровня в зависимости от элемента системы.
Описание решаемых задач в зависимости от уровня системы представлено в таблице.
Рис. 3. Типовая структура Системы
228
насел, пунктов
Решаемые описательным механизмом задачи
Уровень задачи Описание задачи
Интеллектуальные датчики Описание датчиков (схема подлючения, тип датчика, описание места установки, алгоритм соединения с концентратором).
Концентраторы, узлы, кластеры БД системы - Описание функциональных связей элементов системы: структура подключенных источников и получателей данных мониторинга, постоянное резервирование узлов системы, резервирование замещением. - Описание механизмов обмена с источниками и получателями данных мониторинга. - Формирование внутреннего хранилища данных узла. - Реализация программируемой реакции на событие.
АРМ пользователей - Описание функциональных связей элементов системы: структура источников данных мониторинга. - Формирование фильтров отображаемых данных. - Описание отображения данных.
Элементы представленной системы можно разделить по признаку задач необходимой программной реализации на языке PIML на следующие компоненты: обмен данными между элементами системы, анализ состояния извещателей, управление состоянием оповещателей, хранение настроек системы, резервное хранение данных извещателей и оповещателей, отображение данных извещателей и оповещателей с возможностью управления.
PIML упрощает реализацию обмена данными между элементами системы за счет применения механизмов подключения удаленной переменной, представляющих собой событийно-ориентированный обмен информацией об изменениях значения данных, хранящихся в компонентах системы.
Система мониторинга имеет следующие межподсистемные связи, критичные ко времени передачи информации о состоянии переменных: интеллектуальные модули - концентраторы, концентратор - узел мониторинга. Для них PIML обеспечивает установку приоритета групп данных, позволяющую выполнить передачу более актуальных данных в первую очередь.
PIML упращает анализ состояния извещателей в интеллектуальных модулях, концентраторах, узлах мониторига, кластере БД и АРМ за счет встроенных в язык механизмов расчета значения переменной. Для переменной может быть определен расчет значений, позволяющий выполнять для нее статистическую, математическую, логическую или смешанную обработку в автоматическом режиме.
229
Под статистической обработкой значений понимается статистическая обработка данных произвольной природы. Задачами статистической обработки данных в языке являются:
- усреднение значения переменной в заданном временном интервале или без него;
- получения максимального или минимального значения переменной в заданном временном интервале или без него.
Арифметическая обработка данных осуществляет произвольный пересчет значений переменной по установленной формуле. Формула пересчета может содержать математические и логические операции, а также вызов функций, результат выполнения которых используется в ней.
Под логической обработкой понимается обработка значений переменной по определенному алгоритму. В языке поддерживается алгоритм присваивания значений при разных условиях.
Смешанная обработка представляет собой комбинацию статистической, математической и логической обработок.
За счет использования встроенной в язык процедуры идентификации и аутентификации пользователей упрощается процедура управления состоянием оповещателей в интеллектуальных модулях, концентраторах, узлах мониторига, кластере БД и АРМ. Идентификация и аутентификация групп пользователей используется в механизме подключения удаленной переменной и позволяет элементам системы идентифицировать и аутентифицировать источник данных.
Для хранения настроек компонентов системы мониторинга PIML позволяет интерпретатор PIME предоставляет унифицированнй интерфейс доступа к памяти PIMESTOR.
PIMESTOR автоматизирует процесс доступа к данным, выводя эти задачи из целевых требований при написании программы. Код интерфейса PIMESTOR формируется единовременно при разработке программноаппаратной базы объектов системы и не требует дальнейшей модификации.
PIMESTOR производит автоматический контроль используемых идентификаторов переменных, выхода за границы массива и автоматизирует процесс обработки группы данных. Таким образом, использование PIMESTOR позволяет производить контроль ошибок выделения и обращения к памяти в режиме реального времени.
Тип применяемой реализации PIME меняется в зависимости от типа компонента системы. Для интеллектуальных модулей используется реализация PIME для встраиваемых систем, для концентраторов, узлов мониторинга, кластеров БД и АРМ - реализация для персональных компьютеров и серверов, отличающаяся типом операционной системы, для которой PIME был скомпилирован.
Система мониторинга инфраструктурных объектов является гибким
и эффективным решением задач мониторинга и предупреждения развития ЧС. Предложенные на текущий момент методы построения систем мониторинга не затрагивают аспекта формирования эффективного описательного механизма, позволяющего сократить количество работы, затрачиваемое при решении задач программного построения системы. Для обеспечения гибкого решения представленных задач предлагается разработка функционального программирования под названием PIML, интерпретатора PIME и компилятора битового кода PIML-PIME, предназначенных для эффективного решения задач на различных уровнях системы мониторинга. Отличительной особенностью предложенного механизма связи языка PIML и интерпретатора PIME является реализация сквозного проектирования системы и обеспечение кроссплатформенности.
Список литературы
1. Проект федерального закона «Об особенностях инвестирования в
инфраструктуру с использованием инфраструктурных облигаций» [Электронный ресурс] // Служба Банка России по финансовым рынкам: [сайт]. [2013]. URL: http://www.fcsm.ru/document.asp?ob_no=209962 (дата обра-
щения: 07.06.2013).
2. Седельников Ю.В., Сычугов А. А. Сегменты системы комплексной безопасности при реализации инфраструктурных проектов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 56 в 3 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Ч. 3. С. 239-245.
3. Данилкин Ф.А., Новиков А.В., Седельников Ю.В., Сычугов А. А. Применение целочисленного квадратичного программирования в задачах проектирования систем мониторинга // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 288-295.
4. Интерпретатор, Jesse Russell, ISBN 978-5-5128-9628-0; 2012.
5. Хлебцов Н.В. Реализация подсистемы сетевой безопасности комплексных систем мониторинга состояния региона // В мире научных открытий. Красноярск, 2011, №8.1(20). 196 с.
Хлебцов Николай Владимирович, аспирант, nvhleb@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Данилкин Федор Алексеевич, д-р техн. наук, проф., fdanilkin@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Новиков Алексей Владимирович, канд. техн. наук, novikov82@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPLEMENTATION OF THE END-TO-END PRODUCT DESIGN OF MONITORING SYSTEMS OF INFRASTRUCTURE OBJECTS. THE PIML LANGUAGE
N. V. Hlebtsov, F.A. Danilkin, A. V. Novikov
231
This paper describes a method for increasing the efficiency of the monitoring of infrastructure projects by introducing a special programming language PIML, cross-platform interpreter and compiler PIME PIML-PIME. Describes the tasks ligament PIML-PIME and its application in the context of monitoring systems.
Key words: infrastructure project monitoring, the interpreter, PIML, PIME.
Hlebtsov Nikolay Vladimirovich, postgraduate, nvhlebagmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Danilkin Fedor Alekseevich, doctor of technical science, professor, fdanilkin@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Novikov Aleksey Vladimirovich, candidate of technical science, no viko v82 agmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.75
ЯЗЫК PIML. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УДАЛЕННОЙ ПЕРЕМЕННОЙ. ОБРАБОТКА СОБЫТИЙ
Н.В. Хлебцов
В статье описаны трудности, возникающие при реализации межподсистем-ного обмена данными между элементами систем мониторинга инфраструктурных проектов, приводящие к снижению эффективности их реализации. Для повышения эффективности реализации таких систем предлагается введение в разрабатываемый язык программирования PIML и кроссплатформенный интерпретатор PIME механизмов обработки событий. Описывается их реализация путем подключения удаленной переменной.
Ключевые слова: PIML, PIME, удаленная переменная, обработка событий.
Реализация межподсистемного обмена данными между элементами систем мониторинга[1, 4] предполагает обеспечение устойчивого канала обмена информацией между элементами системы. Реализация такого канала может быть выполнена посредством применения различных физических интерфейсов и протоколов уровней OSI[2]. При этом основной задачей является снижение нагрузки на используемые каналы связи. Являясь разновидностью SCADA-системы, обмен данными в системе мониторинга выполняется по принципу ведущий-ведомый. Такой принцип обмена данными требует от ведущего устройства постоянного опроса всех подключенных к нему ведомых, с целью определения изменения измеряемого параметра. В результате повышая нагрузку на канал связи.
232
