CC BY
44
!К?КЧ ТЕХНОЛОГИИ
«и* __«и»
ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОМ СИСТЕМЫ КАК МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ЗАДАЧА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В ЕДИНОМ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕМ ПРОСТРАНСТВЕ
Винограденко А.М., к.т.н., Военная академия связи, [email protected] Литвинов А.И.,
Военная академия связи,
Федоренко В.В., д.т.н., профессор,
Северо-Кавказский
Федеральный Университет,
Юров А.С.,
Военная академия связи,
Ключевые слова:
телеметрическая система, датчики, канал связи, сигналы, система массового обслуживания.
АННОТАЦИЯ
Предложен способ оперативного контроля за объектами измерения, осуществляющий обнаружение и замеры отклоняющихся параметров, их регистрации и приоритетный опрос датчиков, а также определения оптимального числа каналов связи и их выбора. Кроме того, проведен анализ частных показателей качества каналов передачи различных видов информации. Предложен обобщенный показатель для решения многокритериальной задачи формирования многоканальной телеметрической системы методом последовательных уступок, учитывающий приоритет уплотняемых каналов.
При этом моделируемая многоканальная телеметрическая система рассматривается как система массового обслуживания с ограниченной очередью, состоящую из трех подсистем: подсистемы получения данных и формирования сигналов о преда-варийном состоянии контролируемых объектов, подсистемы средств и линий связи и подсистемы диспетчерского управления. Первая подсистема состоит из датчиков и контроллеров, осуществляющих регистрацию параметров сигналов и их сравнение с допустимыми пределами. Заявками на обслуживание являются пакеты информационных символов, сформированные на выходе измерительных датчиков в случае выхода значения контролируемого технологического параметра за пределы установленных допусков. Интенсивность таких заявок определяется количеством датчиков, временными характеристиками контролируемых случайных процессов и числом установленных допусковых уровней для каждого процесса.
Приоритетность заявок на обслуживание, поступающих с датчиков, определяется динамикой роста контролируемого параметра к установленному допуску. Это дает возможность прогнозировать: чем меньше времени до достижения допуска контролируемым параметром, тем выше приоритет заявки. Такой прогноз дает модель обслуживания заявок, позволяющая контролировать два потока заявок с различными приоритетами в трех режимах. Для повышения оперативности оценки технического состояния радиоэлектронных объектов используется система для контроля технического состояния радиоэлектронных объектов, позволяющая обеспечивать периодичность контроля параметров аппаратуры в зависимости от скорости их изменения и тем самым повысить оперативность оценки технического состояния техно-логических объектов.
Дальнейший путь развития данного направления может быть пред-ставлен как интеграция в единое информационно-управляющее пространство, что позволит многократно увеличить эффективность их применения для поддержания техники связи и средств автоматизации в постоянной готовности к применению по назначению за счет повышения оперативности, осведомленности в обстановке, взаимодействии, информационной поддержке принятия решения.
US
RESEARCH
Введение
При эксплуатации объектов вооружения важное место отводится вопросам мониторинга состояния контролируемых систем и объектов, а также работы установленной на них аппаратуры, для оперативного контроля производственных процессов и автоматизации эксперимента, обнаружения отклонения контролируемых величин, измерений отклонившихся параметров и их регистрации. Наличие большого числа источников информации, направляемых к единому обрабатывающему центру, обуславливает необходимость диспетчеризации информационных потоков, поступающих от датчиков регистрации параметров сигналов в телеметрических системах (ТМС).
Моделирование ТМС
Существующие измерительные системы военного назначения осуществляют передачу измерительной информации без учета предаварийных состояний контролируемого объекта, характеризуются низкой оперативностью тестирования, а также зачастую не учитывают разноприоритетность каналов различного назначения. Кроме того, оказывается невозможным текущий контроль состояния объекта и его систем на расстоянии. Таким образом, существует необходимость в разработке ТМС, которая, в отличие от известных, должна обладать: а) большей оперативностью тестирования, б) меньшей информационной избыточностью, в) меньшими материальными и людскими ресурсами.
Моделируемая многоканальная ТМС рассматривается как система массового обслуживания (СМО) с ограниченной очередью, состоящую из трех подсистем: 1) подсистемы получения данных и формирования сигналов о предаварийном состоянии контролируемых объектов, 2) подсистемы средств и линий связи (ЛС) и 3) подсистемы диспетчерского управления. Первая подсистема ТМС состоит из датчиков и контроллеров, осуществляющих регистрацию параметров сигналов и их сравнение с допустимыми пределами [1]. Заявками на обслуживание являются пакеты информационных символов, сформированные на выходе измерительных дат-
чиков в случае выхода значения контролируемого технологического параметра за пределы установленных допусков. Интенсивность таких заявок определяется количеством датчиков, временными характеристиками контролируемых случайных процессов и числом установленных допусковых уровней для каждого процесса. В ходе анализа процесса снятия измерительной информации о контролируемых объектах предлагается подход к решению данной задачи представлением первой подсистемы ТМС, как СМО с отказами, где контроллеры представляют собой каналы обслуживания (рис. 1).
Приоритетность заявок на обслуживание, поступающих с датчиков, определяется динамикой роста контролируемого параметра к установленному допуску. Это дает возможность прогнозировать: чем меньше времени до достижения допуска контролируемым параметром, тем выше приоритет заявки. Такой прогноз дает модель обслуживания заявок [2], позволяющая контролировать два потока заявок с различными приоритетами в трех режимах. Для повышения оперативности оценки технического состояния радиоэлектронных объектов используется система для контроля технического состояния радиоэлектронных объектов, позволяющая обеспечивать периодичность контроля параметров аппаратуры в зависимости от скорости их изменения и тем самым повысить оперативность оценки технического состояния технологических объектов[3].
Проведенный анализ интенсивности обслуживания заявок в СМО показал возможный подход «обслуживания» временных областей передаваемой измерительной информации при временном мультиплексировании.
Обслуживающими элементами в рассматриваемой СМО являются каналы, образующие линию связи с параллельной передачей информации. При временном уплотнении ЛС представляет собой одноканальную СМО, так как пакеты информации обслуживаются в порядке очереди, а не параллельно.
Было определено, что временное уплотнение в многоканальной ТМС представляет собой процесс «обслуживания» временных областей передаваемой измерительной
Рис. 1 - Граф состояний подсистемы при обслуживании заявок, поступающих
с объектов контроля
HiS
RESEARCH
информации в одноканальной СМО с отказами. Поток заявок, поступающих в СМО, имеет интенсивность X, а поток обслуживаний - интенсивность (.1. Тогда
(1 = 1/ t0QC, где ?обс — время обслуживания одной заявки. Среднее время обслуживания заявки соответствует длительности передачи пакета с измерительной информацией: гобс = N ■ т , где N - количество информационных символов в заявке; Тс - длительность информационного символа. Длительность обслуживания одного элемента сигнала будет:
Tc=h2el/Pc
(1)
где
h2
отношение энергии сигнала к спектральной
2
плотности флуктуационной помехи 8д при некогерентном поэлементном приеме сообщений в условиях шумов с допустимой вероятностью ошибки Р
^ Г ОП1ДОП
Интенсивность обслуживания заявки в виде пакета сообщений длиной Ы:
ц = 1 / NTc =PJ Nh2z].
(2)
При этом минимальное значение Тс определяется по допустимой вероятности ошибки приема сообщений Р , заданным значениям мощности сигнала с эле-
ошдоп' ^^ ^
ментом сообщения Р , спектральной плотности флукту-
2
ационнои помехи 80.
В рассматриваемой СМО потери заявок возможны либо в форме отказа вследствие переполнения системы, либо в форме ухода «нетерпеливых» заявок из системы. Тогда, вероятность отказа Р можно определить как вероят-
ность нахождения системы в состоянии
S
m+1
Р = P =
отк m+1
/ о о \ m+1
fX Nh s 0 *
P
Ро
(3)
среднего число заявок, находящихся под обслуживанием
L ,: L =L
об ОЧ С]
L =\ XNh2s0
L
об'
P
1 -
X Nh2sQ P
( X Nh
0s2 ^
m +1 - ml
V Pc
( X Nh г I
(4)
X Nh2s02 P
При испытании ряда объектов информация доставляется получателю только после окончания эксперимента или может быть утеряна в случае неисправности или воздействия помех в канале связи (КС).
Разработанная математическая модель многоканальной измерительной системы как одноканальной СМО с ограниченной очередью позволяет определить оптимальное число КС между подсистемой сбора измерительной информации, расположенной возле технологического объекта, и диспетчерским пунктом с учетом противоречивых требований к контролепригодности, помехоустойчивости и оперативности передачи измерительной информации.
Процесс поступления информации с объектов контроля представляет собой случайный поток заявок на размещение очередного объема информации в одном из частотных диапазонов, а многоканальная линия связи -многоканальную СМО с неограниченной очередью. Среднее число заявок под обслуживанием - есть среднее число КС, необходимых для обслуживания
(Ро5с ^ ), которое определяется решением задачи помехоустойчивости для обеспечения требуемой пропускной способности (Ро6с). Среднее чиело К занятых КС б) можно получить как отношение абсолютной
пропускной способности А к производительности одного КС (1:
K = -
f (t)
Р,
Nh so
(1-М f (Хн ,v/1) + f (хв ,v/1)] vdvidt
(5)
Nh2s0
где ро — вероятность отсутствия измерительного сиг- где СО — интенсивность потока уходов заявок из систе-
нала на входе системы, т - дайна очереди. мы, таким образом, чтобы подсчитать среднее число К
Среднее число заявок в очереди определяется как занятых каналов по формуле (5) нужно предварительно
£ и вычислить Ь0Ч, как математическое ожидание дискрет-
разность числа заявок, находящихся в системе
ной случайной величины К, представляющей собой
L
оч
us
RESEARCH
число занятых каналов. С учетом различных состояний СМО на момент прихода заявки данное выражение можно привести к виду:
групп разного приоритета. Свертка указанного выше вектора <2 в одно число <2 осуществляется по правилу:
K = U, =-
о 2
к=0
о 2
к _ I
, еслиО <Tож < —
п.
Р 1 <т , 2
—, если — < T ож < —, к! пц п.
Foк=0 к! п!к=п;1 (n + ß)(n + 2ß)... [п + (к-п)ß]' если (i — 1) / (п.) < Тож < i / (п.), i > 3.
Q = q + Q
-NT
q+1 :
(7)
(6)
2NeO In (2РоШ.До„ )
где Тож — время ожидания заявки в очереди; (3 — приведенная интенсивность потока уходов (среднее число уходов из очереди необслуживаемых заявок); р — интенсивность потока заявок, поступающих на обслуживание; П — число заявок под обслуживанием (все каналы заняты и Г заявок в очереди), к — число заявок под обслуживанием (все каналы заняты, очереди нет).
Таким образом, формула (6) позволяет произвести расчет необходимого числа КС в предлагаемой ТМС с учетом помеховой обстановки и, соответственно, допустимой интенсивности заявок X при ограниченном числе каналов К .
Подход к решению многокритериальной задачи
распределения ресурсов
При этом остается неснятой проблема разноприори-тетности каналов различного назначения (управлении, передачи оперативной либо служебной информации, а также измерительных сигналов и т.д.), обусловленная различным уровнем требований к допустимым значениям показателей. С другой стороны, объективная разно-приоритетность каналов облегчает их ранжировку при свертке частных показателей в обобщенный показатель эффективности (ОПЭ) по принципу «последовательных уступок» [4].
В качестве исходных данных для расчета ОПЭ С2 используется вектор 0_= ,..., О,. | показателей степени
выполнения требований к качеству связи для каналов с различными приоритетами [5], например, относительных долей КС одного приоритета, качество передачи которых обеспечивается не ниже требуемого. В данном случае при расчете 0 учитываются дополнительные параметры в виде
вектора требований \с[, | (где Г = 1,..., Ыг - нумерация
приоритетов) к показателям качества передачи сообщений
различными каналами связи (КС), разделенными на N
где q имеет смысл количества приоритетов КС, отсчитываемых по возрастающей от более старших к более младшим до первого номера £/ +1, для которого Оц , < 1.
Предлагаемый ОПЭ (7) имеет вид дробно-рационального числа, целая часть которого характеризует количество приоритетов КС, требования к которым выполнены, а дробная часть показывает степень выполнения требований к передаче КС следующего по важности приоритета.
Количества КС М в каждой из приоритетных групп г могут быть различными, но при этом общее число уплотняемых каналов М^ + ... + Мн = К4. Обозначим ш{г) - номер КС, входящего в группу с приоритетом г. Тогда в результате сравнения значений показателей )} (где )= 1, М) с требованиями к ним формируется бинарный вектор качества которого определяются по правилу:
элементы
I ,, =■
m(r)
1 qm{ r) qi 0' qm(r) < q
На основании (8) для каждой приоритетной группы вычисляются частные показатели эффективности О ,
как относительные доли каналов с качеством передачи
1 мТ
сообщений не ниже требуемого: п =_V /
М ^ т
т(г)
Максимальное значение ОПЭ О = Nг соответствует случаю, когда выполняются требования ко всем каналам. При этом для каждых т и г справедливо / , = 1 и О = 1. Минимальное значение 0=0
т\г) —г —
соответствует случаю, когда не выполняются требования ни к одному КС первого приоритета, т.е. для каждого 2(1) справедливо = О
Ш\\) справедливо //нМ, = и и 01= 0 независимо от степени выполнения требований к КС других приорите-
тов.
На рис. 2 представлен пример формирования зависимости 0(3) для случая уплотнения семи КС (М= 7) в
составе трех разноприоритетных групп (Nг = 3) при использовании последовательной нумерации каналов в
HiS
RESEARCH
группах, т.е. 7^(l)e{l, 2}, /??(2)е{3,4}, т(ъ) €Е {5, 6, 7}. Пороги помехозащиты КС распреде-следующим
лены
образом:
0} < 07 < Об < 01 < д2 = Оъ < дА . Как видно из графика ), ОПЭ становится равным нулю при значении аргумента 8 = 32, соответствующего максимального из уровней помехозащиты каналов первой группы. Следовательно, задача оптимизации ресурса при формировании многоканальной ТМС сводится к построению такой функции 0(3) ступенчатого вида, для которой справедливо соотношение:
(тах ^,, 82}) > (тах{с>з*, 5] }) > (тах{с>*, 8*6, 8*}).
7
<6
5
'4
13
12
3 2
3
2
0
8
Рис. 2 - Пример свертки частных показателей в ОПЭ по принципу «последовательных уступок»
Подобный алгоритм распределения ресурса соответствует принципу последовательных уступок, когда в первую очередь удовлетворяется показатель первого приоритета, затем с учетом допуска на его значения оптимизируются показатели каналов более низкого приоритета.
Кроме того, несмотря на плохую «аналитичность» ОПЭ вида (7), он является удобной мерой ограничений при решении обратных оптимизационных задач оценки гарантируемой помехозащищенности многоканальной ТМС.
Заключение
Таким образом, оперативный контроль за технологическими объектами может быть выполнен в виде систем обслуживания заявок, представляющих собой многофазные СМО, осуществляющих обнаружение и замеры отклонившихся параметров, их регистрации и приоритетный опрос датчиков, «снимающих» замеры с аппаратуры, что позволяет сократить потери информации, а также производить передачу различной информации с учетом разноприоритетности каналов связи.
Дальнейший путь развития данного направления может быть представлен как интеграция в единое информационно-управляющее пространство (ЕИУП). Объединение сил и средств в ЕИУП позволит многократно увеличить эффективность их боевого применения для поддержания средств боевого управления и связи в постоянной готовности к применению по назначению за счет превосходства над противником в оперативности, осведомленности над обстановкой, взаимодействии, информационной поддержке принятия решения.
Список литературы
1. Винограденко А.М. Разработка способа прогнозирования предаварийного состояния технологических объектов. СПбНТОРЭС, 66-я НТК, 2011 г., с. 161-162.
2. Федоренко В.В., Винограденко A.M. Модель обслуживания заявок. Патент на ПМ №87277.
3. Федоренко И.В., Винограденко A.M. Система для контроля технического состояния радиоэлектронных объектов. Патент на ПМ №90916.
4. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. - М.: Наука, 1986. - 296 с.
5. Корниенко С.А., Винограденко A.M., Федоренко И.В. Формирование многоканальной линии связи как многокритериальная задача распределения ресурса. «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», г. Самара, №5 - 2007 г., с.192-194.
I
1
1
us
RESEARCH
6. Буренин А.Н., Легков К.Е. Эффективные методы управления потоками в защищенных инфо-коммуни-кационных сетях // И&ББ: Наукоемкие тех-нологии в космических исследованиях Земли. - 2010. -№2. - С. 29-34.
7. Буренин А.Н., Легков К.Е. Модели процессов мониторинга при обеспечении оперативного конт-роля эксплуатации инфокоммуникационных сетей специального
назначения // И&ББ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2011. -№ 2. - С. 19-23. 8. Буренин А.Н., Легков К.Е. К вопросу моделирования организации информационной управляющей сети для системы управления современными инфоком-муникаци-онными сетями // И&ББ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2011. - № 1. -С. 22-25.
SHAPING THE MANY-SERVER TELEMETRY SYSTEM MULTICRITERIA PROBLEM OF THE DISTRIBUTION RESOURCE IN UNITED INFORMATIONCONTROLLING SPACE
Vinogradenko A., Ph.D , Military Academy of communications , [email protected] Litvinov A., Military Academy of communications, [email protected]
Fedorenko V., Doc.Tech.Sci., professor, Nord-Kavkazs Federal University, [email protected] Yurov A., Military Academy of communications , [email protected]
Abstract
The offered way of the operative checking for object of the measurement, implementing finding and measurements deviating parameter, their registrations and priority questioning sensor, as well as determinations of the optimum number channel relationship and their choice. Besides, is organized analysis quotient factors quality channel of the issue different type to information. The generalised factor is offered for decision many priority problems of the shaping the many-server telemetry system by method of the consequent concessions, taking into account priority compacted channel. Thus modelled multichannel telemetric system is considered as system of mass service with the limited turn, consisting of three subsystems: subsystems of data acquisition and formation of signals of a preaccident condition of controlled objects, subsystems of means and communication lines and subsystem of dispatching management. The first subsystem consists of sensors and the controlers which are carrying out registration of parameters of signals and their comparison with admissible limits. Demands for service are the packages of the information symbols created at the exit of measuring sensors in case of an exit of value of controlled technological parameter out of limits of established admissions. Intensity of such demands is defined by number of sensors, temporary characteristics of controlled casual processes and number of the levels established the dopuskovykh for each process. Priority of demands for the service, arriving from sensors, is defined by dynamics of growth of controlled parameter to the established admission. It gives the chance to predict: the there is less than time before achievement of the admission by controlled parameter, the demand priority is higher. Such forecast gives model of service of the demands, allowing to control two flows of demands with various priorities
in three modes. For increase of efficiency of an assessment of technical condition of radio-electronic objects the system for control of technical condition of the radio-electronic objects, allowing to provide frequency of control of parameters of the equipment depending on the speed of their change and by that to increase efficiency of an assessment of technical condition of technological objects is used. The further way of development of this direction can be presented as integration into uniform management information space that will allow to increase repeatedly efficiency of their application for maintenance of equipment of communication and an automation equipment in constant readiness for application to destination due to increase of efficiency, awareness in a situation, interaction, information support of decision-making.
Keywords: telemetry system, communication channel, sensors system of mass service, signals. References
1. Vinogradenko A, 2011, 'Development of the way of the forecasting of the emergency condition technological object', St. Petersburg, NTORES, 66 conf., pp. 161-162.
2. Fedorenko V & Vinogradenko A, 'Model of the servicing the de-mands', Patent on model №87277.
3. Fedorenko I & Vinogradenko A, 'System for checking the technical condition electronic object', Patent on model №90916.
4. Dubov Y, Travkin C, Ykimets V, 1986, 'Models of the miscellaneous of the criterion of the shaping and system variant choice', Moscow, Science, p. 296.
5. Kornienko S, Vinogradenko A, Fedorenko V, 2007, 'Shaping many-server communication link as problem of the many criterion of the sharing the resource choice', Physics of the wave processes and technical systems, Samara, No. 5, pp. 192-194.
8. Burenin, A & Legkov, K 2010, 'Effective methods of control over streams in protected infokommunikatsionny networks', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol.2, no.2, pp. 29-34.
9. Burenin, A & Legkov, K 2011, 'Model of monitoring processes when ensuring operative control of operation of infokommunikatsionny networks of special purpose', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol. 3, no. 2, pp. 19-23.
10. Burenin, A & Legkov, K 2011,' To a question of modeling of the organization of the information managing director of a network for a control system of modern infokommunikatsionny networks', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol. 3, no. 1, pp. 22-25.
