CC BY
54
6. Лемешко А.В., Вавенко Т.В. Усовершенствование потоковой модели многопутевой маршрутизации на основе балансировки нагрузки // Проблеми телекомушкацш. - 2012. - № 1 (6). - С. 12-29 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://pt.journal.kh.Ua/2012/1/1/121_lemeshko_multipath.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения 12.06.2013).
7. Лемешко А.В., Евсеева О.Ю. Тензорная модель многопутевой маршрутизации с гарантиями качества обслуживания одновременно по множеству разнородных показателей // Проблеми телекомушкацш. - 2012. - № 4 (9). - С. 16-31 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://pt.journal.kh.Ua/2012/4/1/124_lemeshko_tensor.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения 12.06.2013).
8. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. / Под ред. Б.С. Цыбакова. - М.: Мир, 1979. - 600 с.
9. Симонина О.А., Яновский Г.Г. Характеристики трафика в сетях IP // Труды учебных заведений связи. - 2004. - № 177. - С. 8-14.
10. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. - СПб: БХВ, 2005. - 288 с.
11. Петров М.Н., ПономаревД.Ю. Самоподобие в системах массового обслуживания с ограниченным буфером // Электросвязь. - 2002. - № 2. - С. 35-39.
12. Chen J.-С., Chan S.H. Multipath Routing for Video Unicast over Bandwidth-Limited Networks Department of Computer Science // Proc. of GL0BEC0M'01: San Antonio, Texas. - 2001. - V. 3. - P. 1963-1997.
Вавенко Татьяна Васильевна - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, аспирант,
tv_vavenko@mail.ru
Стерин Вячеслав Леонидович - Харьковский филиал АО «Киевстар», директор, sterin@journal.kh.ua
Симоненко Александр Викторович - Харьковский университет Воздушных сил им. И. Кожедуба, соискатель, simonenko@journal.kh.ua
УДК 62-52
ВЫБОР ВАРИАНТОВ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ В ДУБЛИРОВАННОМ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ Е.А. Алсуфьев, В.А. Богатырев
Проведен анализ вариантов подключения датчиков к управляющим микропроцессорным устройствам в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами. Рассмотрены показатели надежности и стоимости различных технических решений. В качестве предмета для анализа выбрана система температурного контроля, наиболее характерная для систем управления технологическими процессами в различных областях промышленности.
Ключевые слова: датчик, автоматизированная система управления технологическими процессами, вычислительный комплекс, надежность, резервирование.
Введение
Системы автоматизированного управления технологическими процессами, в частности, подсистемы технологического контроля, в большинстве случаев строятся по иерархическому принципу. Нижние уровни иерархии занимают устройства сбора и обработки данных, выполняющие следующие функции:
- первичные измерения;
- представление измеренных величин в виде унифицированных электрических сигналов;
- передача сигналов по линиям связи;
- аналого-цифровое преобразование сигналов;
- обработка сигналов микропроцессорными устройствами, как правило, программируемыми логиче-
скими контроллерами (ПЛК).
Для повышения надежности систем компьютерного управления применяется резервирование, что приводит к увеличению стоимости системы. Для нахождения компромисса «надежность-стоимость» представляет интерес исследование вариантов резервирования вычислительных систем и подключаемых к ним датчиков технологических параметров. Варианты построения резервированных вычислительных систем, в том числе дублированных комплексов, исследования их надежности, производительности и безопасности и оптимизация рассматривались в работах [1-7] .
Варианты резервированного подключения датчиков
В качестве вариантов резервированного подключения датчиков к дублированным вычислительным устройствам (контроллерам) [1-3] рассмотрим различные комбинации следующих альтернатив:
- подключение п нерезервированных либо п дублированных датчиков;
- подключение каждого датчика по одной либо по двум линиям;
- наличие либо отсутствие связи между дублированными контроллерами.
Рассматриваемые варианты конфигураций представлены на рис. 1.
Условием работоспособности дублированной вычислительной системы [4-6] будем считать возможность обработки всех измеряемых технологических параметров хотя бы в одном вычислительном узле. Для каждой точки измерения может использоваться один или два датчика, а их обработка, в зависимости от конфигурации, может производиться в одном или двух контроллерах.
41 с 42
Рис. 1. Варианты подключения датчиков к дублированным контроллерам
Исходные данные и методика расчета
Рассматриваемые структуры состоят из датчиков, контроллеров и кабельных связей между ними. Для расчетов выбраны элементы, на основе которых обычно проектируются системы температурного контроля в промышленности:
- датчики температуры - термометры сопротивления РЦ00, подключаемые по трехпроводной схеме;
- соединительные провода - сигнальный многожильный кабель типа КВВГ;
- контроллер - промышленный модульный ПЛК, состоящий из блока питания, процессорного модуля,
модулей ввода температурных сигналов и коммуникационного модуля для организации сетевого обмена между контроллерами.
Исходные для расчетов данные надежности представлены в табл. 1.
При расчетах примем расстояние от датчика до места его подключения к ПЛК 1ОО м; при этом к каждому входному модулю контроллера может быть подключено не более шести датчиков.
Стоимость реализации каждого из вариантов определяется стоимостью двух контроллеров, датчиков и соединительных кабелей. Стоимость контроллера зависит от количества подключаемых к нему датчиков, так как подключение каждого из которых требует отдельного входного модуля. В случаях, когда между контроллерами осуществляется обмен по сети, к стоимости каждого из контроллеров добавляется стоимость коммуникационного модуля
№ п/п Наименование элемента Стоимость, руб. Интенсивность отказов, Хх106 1/ч
1 Датчик температуры РЦОО 1100 2
2 Кабель КВВГ 2100 0,1
3 ПЛК, блок питания 9200 7,4
4 ПЛК, процессорный модуль 83000 5,46
5 ПЛК, модуль ввода сигналов 14700 6,25
6 ПЛК, коммуникационный модуль 14800 5,12
Таблица 1. Исходные данные
Варианты 12, 22 (рис. 1) исключены из рассмотрения, так как для них условие работоспособности совпадает с условиями работоспособности в вариантах 11 и 21 соответственно: для варианта 11 - это исправность двух процессоров и всех датчиков и их связей, а для варианта 21 - хотя бы одного датчика в каждой точке измерения. Вариант 52 не рассматривается в связи с его значительной избыточностью по связям.
Вероятность безотказной работы (ВБР) рассматриваемых структур определяется на основе известного метода разложения около особых элементов [8] как Р1= Рк(1)2 • (Рй(1) • Р1 (1))п,
Р21(1) = Рк(1)2 • [1 - (1 - Рй(1) • РЩ))2 ]", Р31(1) = Рй(1)п • [1 - (1 - Рк(0 • Р1 (1)" )2 ] , Р32(0 = Рй(0" • [(1 - Р^(0) • [1 - (1 - Рк(0 • Р1 (0" )2 ] -
+Ps(t)
Рк (О2 • [1 - (1 - Р1 (О)2 ]" + 2 Рк (1) • (1 - Рк (0) • Р1 (О" Р41(1) = 1 - [1 - Рк (1) • (Рй (1) • Р1(1))" ]2, Р42(1) = (1 - Ps(t)) • [1 - [1 - Рк(1) • (Рй(1) • Р1 (1))" ]2 ] + Ps(t) • Рк(1 )2 [1 - (1 - Р1 (1) • Рй(1 ))2 ]" +2Рк(1) • (1 - Рк(1)) • (Р1 (1) • Рй(1))",
Р51(1) = Рк (1 )2
1 - [1 - Рй(1) [1 - (1 - Р(1 ))2 ]] + 2 • Рк(1) • (1 - Рк(1)) • [1 - (1 - Рй(1) • Р/(1))2 ]"
где Рк(1), Рй(1), Р1(1), Р&() - соответственно ВБР контроллера, датчика, линии передачи сигнала от датчика к контроллеру, связи между контроллерами, п - количество точек измерения.
Имея формулы для оценки ВБР для рассматриваемых конфигураций, можно вычислить наработку
да
на отказ как Т = | Р(1 )й1.
0
Вариант 12 (22) относительно варианта 11 (21) при сформулированных условиях работоспособности является нерациональным, так как связь между контролерами не позволяет увеличить надежность ввиду ее нереализуемости при отказах хотя бы одного контролера. Если условия работоспособности формулируются исходя из требования совместной обработки показаний датчиков, подключенных к первому и второму контроллерам, тогда варианты 12 и 22 рассматриваются как потенциально применимые, а варианты 11 и 21 исключаются как неработоспособные. Вероятность безотказной работы вариантов 21 и 22 вычисляются как
Р1=Р.^) Рк (1 )2 • (Рй (1) • Р1 (1))"
Р21(1) = Ps(t)Рк(1)2 • 1 - (1 - Рй(1) • Р1 (1))
Результаты расчета
Расчет выполнен для системы средних размеров, содержащей 50 точек измерения температуры. Результаты расчета вероятности безотказной работы представлены на рис. 2. На рис. 3 приведены графики вероятности безотказной работы, приведенной к стоимости соответствующего решения.
Эффективность структур с учетом стоимости их реализации определим по коэффициенту К, представляющему собой отношение времени наработки на отказ к стоимости системы. Это отношение определяет количество часов безотказной работы на каждую тысячу рублей, вложенную в аппаратуру системы, т. е. эффективность затрат.
Значения времени наработки на отказ, стоимости и коэффициента К для рассматриваемых конфигураций приведены в табл. 2.
2
Обозначение варианта 11 21 31 32 41 42 51
Стоимость, тыс. руб. 458,2 631,2 563,2 577,9 631,2 646,0 736,2
Наработка на отказ, ч 4123 4178 7470 7293 6703 7064 11700
Коэффициент К 8,998 6,62 13,263 12,635 10,62 10,935 15,887
Таблица 2. Результаты расчетов
Варианты 11 и 21 для указанных при расчете условиях работоспособности обладают значительно более низким показателем надежности по сравнению с остальными, что делает их применение нерациональным (однако это не исключает целесообразность использования при других условиях работоспособ-
ности системы). Наилучшее отношение времени наработки на отказ к стоимости системы из рассматриваемых конфигураций обеспечивает вариант 51.
1
0,8
■с- 0'6 0,4
0,2
0 2х103 4х103 6х103 8х103 1х104
г, ч
Рис. 2. Вероятность безотказной работы сравниваемых конфигураций
3 х 10~3
7 2х10~3
Ю Л О
3 н
^ 1 х 10~3
0 2х103 4х103 6х103 8х103 1х104
г, ч
Рис. 3. Вероятность безотказной работы сравниваемых конфигураций, приведенная к их стоимости
Представленные оценки распространяются на достаточно широкий класс комбинаций подключения дублированных и недублированных датчиков через дублированные и нерезервированные связи к одному или двум контроллерам вычислительного комплекса. Варианты оптимального подключения датчиков с учетом расстояний между вычислительным комплексов и датчиками, а также оптимальное разделение датчиков и контроллеров в вычислительные системы кластерной архитектуры [9] требуют дополнительных исследований.
Заключение
Рассмотрены варианты подключения датчиков к дублированной вычислительной системе, оценено влияния вариантов подключения на надежность и эффективность системы. Полученные результаты могут использоваться при выборе и оптимизации вариантов построения систем компьютерного управления в зависимости от количества датчиков и вычислительных узлов.
М.Я. Марусина, Н. Б. Суворов, А.В. Козаченко, Д.В. Толкович
Литература
1. Богатырев В. А. Надежность вариантов размещения функциональных ресурсов в однородных вычислительных сетях // Электронное моделирование. - 1997. - № 3. - С. 21-27.
2. Гатчин Ю.А., Кузнецова О.А. Оценка надежности структурно избыточных изделий при проектировании сложных технических систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2009. - № 1 (59). - С. 45-51.
3. Богатырев В.А., Беззубов В.Ф., Башкова С.А., Полякова А.В., Котельникова Е.Ю., Голубев И.Ю. Надежность дублированных вычислительных комплексов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 6 (76). - С. 74-78.
4. Bogatyrev V.A. Exchange of Duplicated Computing Complexes in Fault tolérant Systems // Automatic Control and Computer Sciences. - 2011. - V. 46. - № 5. - P. 268-276.
5. Богатырев В. А., Бибиков С.В. Оценка функциональной безопасности дублированных вычислительных систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -2012. - № 2 (78). - С. 146.
6. Богатырев В.А. Отказоустойчивые кластеры дублированных вычислительных комплексов // Информационные технологии. - 2012. - № 1. - С. 9-15.
7. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Критерии оптимальности многоустойчивых отказоустойчивых компьютерных систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2009. - № 5 (63). - С. 92-98.
8. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов: Учебное пособие. - СПб: Питер, 2005. - 479 с.
9. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Объединение резервированных серверов в кластеры высоконадежной компьютерной системы // Информационные технологии. - 2009. - № 6. - С. 41-48.
Алсуфьев Евгений Анатольевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант, ООО «Ракурс-инжиниринг», начальник научно-исследовательского отдела, alsufyev@mail.ru
Богатырев Владимир Анатольевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, Vladimir.bogatyrev@gmail.com
УДК 615.47, 616-71, 616.12-073.97-71
СИНХРОНИЗАЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА М.Я. Марусина, Н. Б. Суворов, А.В. Козаченко, Д.В. Толкович
Представлены результаты разработки многофункционального измерительного комплекса для регистрации физиологических и информационных сигналов, характеризующих психофизиологическое состояние человека в текущий момент времени. Комплекс обеспечивает возможность синхронизации и обработки в реальном времени всех регистрируемых психофизиологических параметров при изучении творческой деятельности испытуемого. Описана схема и состав многофункционального комплекса. Приведены результаты фиксирования и обработки физиологических сигналов, зарегистрированных при напряженной интеллектуальной деятельности. Ключевые слова: измерительный комплекс, синхронизация, энцефалография, физиологические сигналы, психофизиологические состояния.
Введение
Для исследования психофизиологических состояний человека используется ряд методов, одним из которых является метод видеомониторинга [1]. Видеомониторинг интеллектуальной деятельности - это исследование, в ходе которого проводится длительная синхронная запись электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, функции дыхания, видео- и аудиоданных о физиологической, двигательной и поведенческой деятельности испытуемого, включая голосовые реакции. Однако измерительные комплексы видеомониторинга, выпускаемые в настоящее время для нужд научно-практических учреждений здравоохранения, не предназначены для исследования напряженной интеллектуальной деятельности человека, например, творческой деятельности [1, 2].
Процесс интеллектуальной деятельности человека чрезвычайно сложен для инструментальных исследований, так как непосредственно связан с мгновенным или постепенным изменением значительного числа психофизиологических параметров, характеризующих состояние человека в текущий момент времени. Анализ и обработка комплекса психофизиологических параметров, полученных в результате диагностического тестирования, требует соблюдения определенных принципов при их регистрации, главным из которых является синхронизация физиологических, информационных и вспомогательных сигналов во
