CC BY
34
УДК 621.396.97
05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации
Чумаченко Павел Юрьевич
Национальный исследовательский университет “МИЭТ”
Россия, Москва
Доцент кафедры “Информатика и программное обеспечение вычислительных систем”
Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Способ повышения достоверности систем управления энергообеспечением производственных объектов
Аннотация: В статье рассматриваются проблемы передачи достоверных сигналов контроля и управления по каналам связи сложных систем управления энергообеспечением производственных объектов. Математически обосновано несоответствие понятия “достоверность информации” с “защищенностью информации от помех в канале связи”. Приведен ряд мер, направленных на повышение достоверности информации: необходимо жестко коррелировать методы кодообразования и методы схемотехнического построения модулей, участвующих в передаче и приеме информации; компоненты рабочего цикла в рамках выбранного протокола передачи информации по линии связи следует формировать так, чтобы минимизировать деградацию достоверности принимаемой информации из-за необнаруживаемых искажений при передаче или приеме информации; уровень защищенности принимаемой информации от искажений в канале связи должен корреспондироваться с качеством работы узлов диагностики и контроля.
Показано, что наиболее эффективным методом обнаружения искажений является создание условий, при которых каждое устройство трассы доставки информационного сигнала от датчика к приемнику будет протестировано “в динамике”, то есть будет проверена его адекватная реакция на сигнал «1» и «0». В идеале, это приводит к необходимости совмещения процедур ввода информации от датчика и кодирования сообщения. Разработаны принципы комбинированного кодирования, сочетающие впервые синтезированный биимпульсный условно корреляционный код с циклическим кодом, обеспечивающие высокий уровень достоверности, характеризующийся вероятностью необнаруживаемых искажений в канале ввода-вывода информационных сигналов ^10"14, что значительно меньше допускаемых стандартом.
Ключевые слова: Достоверность информации; система управления
энергообеспечением; корреляционное кодирование; надежность; помехоустойчивость; канал
связи.
Идентификационный номер статьи в журнале 30TVN613
Pavel Chumachenko
National Research University of Electronic Technology
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
A method for improving the reliability of power management systems industrial objects
Abstract: The article deals with the problem of reliable transmission of control signals through the communication channels of complex energy management systems to industrial facilities. Mathematically justified the discrepancy of "accuracy" with "protected information from the noise in the communication channel." Is a series of measures aimed at improving the reliability of the information: to be strictly correlated coding techniques and methods of circuit construction of the modules involved in the transmission and reception of information, the components of the working cycles of the selected protocol transmission via the communication should be designed so as to minimize the degradation of the reliability of the information received undetected because of distortions in the transmission or reception of information, the level of security of the information received from the distortions in the communication channel has corresponded with the quality of the diagnosis and monitoring of nodes. It is shown that the most effective way to detect distortions is to create the conditions under which each device tracks delivery information signal from the sensor to the receiver will be tested " in the dynamics ," that is to be tested unable to adequately respond to the signal "1" and "0". Ideally, this leads to the necessity of combining the procedures from the sensor input and message encoding. The principles of the combined coding, combining for the first time synthesized biimpulsny conditional correlation code with a cyclic code , ensuring a high level of reliability, characterized by a probability of undetected distortions ^10'14, which is much less than in the channel input-output data signals allowed by the standard.
Keywords: The accuracy of the information system of energy management; correlation coding; reliability; noise immunity; the communication channel.
Identification number of article 30TVN613
Особое внимание при разработке систем управления энергообеспечением (СУЭ) производственных объектов следует уделять обеспечению требуемой достоверности принимаемых данных [1-2].
В соответствии с ГОСТ 26.205.88 достоверность определяют по величине вероятности не обнаруживаемого искажения команд, сигналов, измерений помехами в линии (канале) связи [3]. Другими словами, достоверностью можно назвать степень соответствия принятого сигнала (сообщения) переданному.
Количественную меру соответствия необходимо выбирать по-разному, в зависимости от характера информационного сигнала. Именно выбор меры зависит от того, передаются дискретные либо аналоговые сигналы.
В первом случае количественной мерой достоверности является убывающая функция вероятности искаженного приема сигнала:
Для передачи аналоговых сигналов мерой достоверности является возрастающая
принятого сигнала от переданного £ не превзойдет некоторой заранее определенной величины £.
Таким образом, указанная неоднозначность определения меры достоверности для сигналов различной природы должна требовать от разработчиков СУЭ учитывать индивидуальные особенности приема -передачи дискретных и аналоговых сигналов [4-6]. Неприятие универсальных «блоков ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов» объясняется более тяжелыми возможными последствиями, например, ложного сигнала управления в сравнении с неправильным «выводом дискретного сигнала».
В настоящее время четко прослеживается тенденция обеспечения высокой
достоверности информации (вероятность искажения 10 - 10 ) за счет использования
мощных циклических помехозащитных кодов с кодовым расстоянием й=4 . Показывается, что
при вероятности искажения любого сигнала помехами в линии связи р =10 и при числе
сигналов в рабочем цикле П < 10 , достигается достоверность принимаемой информации ,
—12
определяемой вероятностью необнаруженного искажения, Риск ~ 10 [4-6].
Сужение возможного места и причины искажения данных приводит к тому, что более широкое понятие "достоверность принимаемой информации" подменяется более узким "защищенностью от искажений информации помехами в канале связи".
Нечеткое формулирование весьма ответственного показателя СУЭ - достоверности принимаемой информации, привело к отрыву методов кодирования и декодирования при передаче (приеме) информации по линии связи от схемотехники функциональных модулей -источников и приемников информации.
Обычно подчеркивается, что структура модулей влияет на другой качественный показатель СУЭ - надежность, представляемую как вероятность отказа, среднее время до или
(1)
где Риск - вероятность необнаруженного искажения.
функция вероятности
вероятности того, что отклонение величины
между отказами. Т.е. надежностью определяется степень работоспособности - способность системы в целом и ее компонентов в отдельности выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации.
К сожалению, при этом упускаются из вида неисправности модулей, которые приводят не к отказу от выполнения команды или передачи сигналов, а к необнаруженным искажениям выполняемой команды или переданных сигналов, хотя известно, что отказы при выполнении команд несравнимо реже приводят к авариям, чем выполнения ложной команды. Кстати, несимметрия ответственности при отказах и при ложных командах управлении и контроля отражена в указанном ГОСТе. Уровни вероятности отказа и ложных сигналов управления
5 1
(контроля) различается в 10 - 10 раз. Поэтому следует оценивать достоверность
принимаемой информации вероятностью ложного выполнения команды управления (без указания причины и места искажения команды) или выдачу на средства отображения и обработки искаженных сигналов и измерений (без указания причины и места их искажения).
Если проанализировать по предложенному принципу ряд ИИС как отечественного, так и зарубежного исполнения, то окажется, что они, обладая весьма малой вероятностью необнаруживаемых искажений команд, сигналов и измерений помехами в линии связи, обладают намного более низкой реальной достоверностью принимаемой информации из-за полной некоррелированности схемотехники приемников информации, осуществляющих помехозащитное кодирование и передачу информации [6,7].
Для оценки степени некоррелированности введем показатель деградации достоверности принимаемой информации - отношение вероятности необнаруженного искажения команд, сигналов или измерений помехами в канале связи к вероятности ложного выполнения команд (независимо от места и причины искажения команды) или поступления на обработку или средства отображения ложных сигналов или измерений (независимо от причины и места искажений). Чтобы "связать" вероятностные показатели, определяемые принципами кодообразования и принятой схемотехникой приемников информации, применим следующий прием [8-11].
В соответствии со свойствами используемого помехозащитного кода определяется вероятность необнаруживаемого искажения информации помехами в канале связи - Риск. Установив среднестатистическую интенсивность потока передач (среднюю частоту возникновения заявок на передачу Е1 ), можно определить достигаемое
среднестатистическое время между отказами Т‘ .
1
Т = —---------- . (2)
ср р1 р у ’ ср иск
Предположив поток необнаруживаемых отказов простейшим, можно определить его интенсивность Л :
1 1 — Р
Л = ~Т = -1Ри£к , (3)
г Т ґ
ср
где — - среднестатистическое число заявок і-го вида за год, і- число часов в году.
Аппаратуру модулей, участвующих в передаче и приеме /-го вида информации, разделим на т групп. Интенсивность необнаруженного отказа в аппаратуре у-ой группы
среднестатистическая вероятность возникновения искажений р ■ =10 . Будем также считать
обозначим как А-, а вероятность передачи (приема) искаженной информации при
возникновении необнаруженного отказа - как р. Тогда степень "деградации" (Dj) достоверности принимаемой информации ьго вида можно отобразить уравнением :
т
( а+Еа Р)
А =--------^-------. (4)
А
Предположим, что достигаемая вероятность необнаруживаемых искажений команд управления (контроля) Риск = 10 , а среднестатистическое число команд
управления(контроля) одним объектом (исполнительным механизмом) за год равно Щ = 10 1/год.
Предположим, что в цепи передачи, приема, обработки и вывода команды управления (контроля) этим объектом установлен один элемент (коммутатор во входной цепи), отказ которого не обнаруживается введенными узлами контроля и диагностики.
Среднестатистическая интенсивность потока отказов элемента А. = 0,5 • 10-6 1/час, а
, =,°-6
что других вариантов выполнения ложной команды нет .Тогда на основании формул (2-4) ,
. 103-10_14 1Л_151. ^ 10-15 + 5-10_7-10_6 _ _ 1Л3
получим А =------------= 10 1/час , D =-----------------------= 0,5 -10 .
г 104 г 10-15
Видно, что даже при столь "мягких" условиях воздействий на аппаратуру модулей реальные показатели достоверности принимаемых команд контроля и управления оказываются на несколько порядков хуже, чем ожидаемые.
Исходя из вышесказанного, можно привести ряд мер, направленных на повышение достоверности информации (важнейшего показателя СУЭ) [9-11]:
- необходимо жестко коррелировать методы кодообразования и методы схемотехнического построения модулей, участвующих в передаче и приеме информации;
- компоненты рабочего цикла в рамках выбранного протокола передачи информации по линии связи следует формировать так, чтобы минимизировать деградацию достоверности принимаемой информации из-за необнаруживаемых искажений при передаче или приеме информации;
- уровень защищенности принимаемой информации от искажений в канале связи должен корреспондироваться с качеством работы узлов диагностики и контроля.
Таким образом, наиболее эффективным методом обнаружения искажений является создание условий, при которых каждое устройство трассы доставки информационного сигнала от датчика к приемнику будет протестировано “в динамике”, т.е. будет проверена его адекватная реакция на сигнал «1» и «0». В идеале, это приводит к необходимости совмещения процедур ввода информации от датчика и кодирования сообщения [8-11].
Если “наложить” указанные теоретические положения на принципы построения кодов, окажется, что указанным требованиям отвечает код, который отображает состояние одного датчика дискретного сигнала в виде пары бит. Формирователь пары должен быть синтезирован так, чтобы второй бит являлся отображением состояния датчика и создавать
условия, когда в процессе его формирования все компоненты устройства ввода информационных сигналов оказываются переведенными в режим, инверсный тому, который создавался при получении первого бита. В этом случае реализуется контроль в “динамике” всего кодера. Код, отображающий состояние всех датчиков, назовем “биимпульсный корреляционный код”, т.к. в кодированном сообщении состояние каждого датчика отображается двумя импульсами “01” или “10”, причем второй бит пары жестко связан с первым.
Однако биимпульсный корреляционный способ кодирования значительно снижает достоверность информационного сообщения из-за необнаруживаемых искажений, вызванных неисправностью - обрывом или коротким замыканием цепи связи кодера с каким-либо датчиком.
Во избежание указанных негативных факторов был разработан биимпульсный условно корреляционный код, в котором инверсия второго бита пары- “условная” и ставится в зависимость от результата диагностики цепей связи с датчиками. Сигнал состояния датчика инвертируется только тогда, когда при динамическом контроле не обнаружено искажений. В этом случае биимпульсная пара принимает вид “10” или “01”. При обнаружении искажений код превращается в “11” ( короткое замыкание) или в “00” (разрыв цепи связи с датчиками), давая возможность за счет двух “неразрешенных” комбинаций определить место и вид искажения [9-11].
Для анализа влияния предложенного способа кодирования на достоверность информации определим вероятность необнаруживаемого искажения для канала ввода-вывода информационных сигналов (Рнеоб иск квв) при использовании БУКК.
Рнеоб иск квв Рввод + Ркс + Ркодер + Рдекодер , (5)
где Рввод - вероятность необнаруживаемого искажения сигнала при вводе информации от датчиков, Ркс- вероятность необнаруживаемого искажения кода из-за помех в канале связи, Ркодер(Рдекодер)- вероятность необнаруживаемого искажения кода в кодере (декодере). С учетом (3) и (4) получим
Рввод Р0/1 Риск_строб (1 Риск_строб) СП ’ (6)
где Ро/1 - условная вероятность воздействия помехи при повторном искажении вводимого информационного сигнала, которое противоположно воздействию при первичном
искажении; п - число разрядов кода, равное числу датчиков. При (1 - Риск строб)П'2 ~^1 и СП =
п из (6) получим
Рввод = п Р? Ро/1 ()2 . (7)
1 ц.опр
Искажение кода на участке трассы от устройства ввода до канала связи не будет обнаружено, если в мультиплексоре или ОЗУ произойдет двойная неисправность при противоположном по результату воздействии на любой из 2п элементов кода. Тогда вероятность необнаруживаемых искажений кода в кодере (Ркодер) можно записать в виде
Ркодер = 2 п Рн2еиспр к Ро/1 , (8)
где Рнеиспр к - вероятность неисправности кодера (декодера). С учетом симметричности структуры кодера и декодера получим: Ркодер =Рдекодер .
Для кодирования информационных сообщений в канале связи разработан способ,
заключающийся в сочетании БУКК, создаваемого в каждом функциональном устройстве связи с датчиком, и циклического кодом с образующим полиномом 16-й степени Р(х)=х15+х12+х5+1, вводимым общим для всех функциональных устройств кодером. Предложенный способ позволяет формировать код, диагностирующий работоспособность трассы от приемника к передатчику.
Тогда с учетом вышесказанного, вероятность необнаруживаемого искажения помехами в канале связи (Ркс) можно выразить следующим соотношением:
Ркс = Р1 -р0/г Рмом •С 2 + С + , (9)
п2 + п3 +---4—5----- п2 +п3 + п6 +-----------------
п2 + пз + п4 + п5 П2 +П3 + П4 + П5 +П6
где Р^пом- условная вероятность того, что помеха, возникшая при передаче основной части сообщения, сохранится через время ^- передачи основной части кода;
С 2 - число возможных комбинаций пар символов в переданном коде; П2, пз,
п2 + пз +------4-5-
п2 + пз + п4 + п5
П4, П5 -2,3,4 и 5-й компоненты рабочего цикла в соответствии с выбранным циклическим
,6
п4 + п5 + пб
кодом; С + + - число сочетаний кода, содержащего (П4+П5+Пб)/(
п2 + пз + пб +-
п2 + пз + п4 + п5 + пб
П2+П3+П4+ п5+пб) символов в части БУКК и пб символов контрольной последовательности циклического кода при образующем полиноме 16 степени. Показатель “6” в числе сочетаний вводится в (9) потому, что общее минимальное кодовое расстояние комбинированного кода
об =6. Ужесточив реальные условия, можно предположить, что Р0/1 = Рг/пом = Р1. Тогда выражение (9) преобразуется к следующему виду:
Ркс = р С + С п4 + п5 + пб . (10)
п2 + пз +-----4—5--- п2 + пз +пб +------------------
п2 + пз + п4 + п5 п2 + пз + п4 + п5 + пб
С учетом (5), (7), (8) и (10) определим вероятность необнаруживаемого искажения для канала ввода-вывода информационных сигналов (Рнеоб иск квв) •
Тст 2
Рнеоб иск квв =Рввод+Ркс+Ркодер+Рдекодер= п Р2 Ро/1 (—^)2 + Р С2 п +п
Т ц ппп п2 +пз+---------4-5-
р п2 +пз +п4 +п5
С6 + 4 пР2 Ро/1. (11)
^ пл. +п<; +т неиспр к V '
п2 +пз +пб +--4 5 ------
п2 +пз +п4 +п5 +пб
Подставляя в (11) среднестатистические значения Р1= 10-3, П2 = пз =П4 =8 [бит]; п5= 32; пб =16 [бит], п=16, Рнеиспр к = 10-6 ; Гстр=5 10-6с ; Тч.опр= 10-2 с ; Ро/1 =Р1, получаем вероятность необнаруживаемых искажений в канале ввода-вывода информационных сигналов Рнеоб иск квв ~10-14.
Таким образом, разработаны принципы комбинированного кодирования, сочетающие впервые синтезированный биимпульсный условно корреляционный код (БУКК) с циклическим кодом, обеспечивающие высокий уровень достоверности, характеризующийся вероятностью необнаруживаемых искажений в канале ввода-вывода информационных сигналов ^10-14, что значительно меньше допускаемых ГОСТом [3,6,7].
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Госконтракт № 14.515.11.0094).
ЛИТЕРАТУРА
1 Баин А.М., Дубовой Н.Д., Портнов Е.М., Чумаченко П.Ю. Способ повышения достоверности телесигнализации в системах управления энергообеспечением объектов различного назначения// Оборонная техника, 2012.-№ 4-5.-C.40-41.
2 Баин А.М., Портнов Е.М. Методика синтеза многофункциональных систем управления энергообеспечением// XXXVIII Международная конференция “Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе”// Труды конференции, Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2012.-C.154-157.
3 ГОСТ 26.205-88. Комплексы и устройства телемеханики. Общие технические условия.
4 Пронин А.Н., Сапожникова Р.Е., Тайманов К.В. Контроль достоверности информации, поступающей от датчиков// Датчики и системы. 2008. № 8. С. 5863.
5 Филиппов А.В. Повышение достоверности информации о состоянии устройств СЦБ путем оптимизации выбора точек подключения аппаратуры диагностики// Известия Петербургского университета путей сообщения. 2007. № 4. С. 202-215.
6 Шенброт И.М. и др. Рассредоточенные АСУ технологическими процессами .М.: Энергоатомиздат, 1985.-240 с.
7 Митюшкин К.Г. Телеконтроль и телеуправление в энергосистемах.-М.: Энергоатомиздат, 1990. -288 с.
8 Портнов Е.М., Баин А.М., Чумаченко П.Ю., Касимов Р.А. Модель информационных потоков многофункциональной системы управления энергообеспечением // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2012. № 3. С. 17-22.
9 Е.М. Портнов, А.М. Баин, П.Ю. Чумаченко, Н.И. Сидоренко “Методика повышения эффективности использования магистральных каналов связи информационно-управляющих систем в энергетике”// Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России. -М.: ФГУП “ВИМИ”,2012.- № 2.-C.68-73.
10 Кукушкин Е.С. Методы повышения достоверности магистральных сигналов в радиорелейных линиях связи// Микроэлектроника и информатика- 2011. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов - М: МИЭТ, 2011.
11 Дубовой Н.Д. Повышение достоверности управляющих сигналов в радиорелейных линиях связи// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009. № 3 (77). С. 90-91.
Рецензент: Гагарина Л.Г., д.т.н., профессор ФГОУ ВПО Национального
исследовательского университета МИЭТ.
REFERENCES
1 Bain A.M., Dubovoj N.D., Portnov E.M., Chumachenko P.Ju. Sposob povy-shenija dostovernosti telesignalizacii v sistemah upravlenija jenergoobespecheniem obektov razlichnogo naznachenija// Oboronnaja tehnika, 2012.-№ 4-5.-C.40-41.
2 Bain A.M., Portnov E.M. Metodika sinteza mnogofunkcional'nyh sistem upravlenija jenergoobespecheniem// XXXVIII Mezhdunarodnaja konferencija “Informacionnye tehnologii v nauke, sociologii, jekonomike i biznese// Trudy konferencii, Ukraina, Krym, Jalta-Gurzuf, 2012.-C.154-157.
3 GOST 26.205-88. Kompleksy i ustrojstva telemehaniki. Obshhie tehnicheskie uslovija.
4 Pronin A.N., Sapozhnikova R.E., Tajmanov K.V. Kontrol' dostovernosti informacii, postupajushhej ot datchikov// Datchiki i sistemy. 2008. № 8. S. 58-63.
5 Filippov A.V. Povyshenie dostovernosti informacii o sostojanii ust-rojstv SCB putem optimizacii vybora tochek podkljuchenija apparatury diagnostiki// Izvestija Peterburgskogo universiteta putej soobshhenija. 2007. № 4. S. 202-215.
6 Shenbrot I.M. i dr. Rassredotochennye ASU tehnologicheskimi processami .-M.: Jenergoatomizdat, 1985.-240 c.
7 Mitjushkin K.G. Telekontrol' i teleupravlenie v jenergosistemah.-M.: Jenergoatomizdat, 1990. -288 c.
8 Portnov E.M., Bain A.M., Chumachenko P.Ju., Kasimov R.A. Model' in-formacionnyh potokov mnogofunkcional'noj sistemy upravlenija jenergoobespecheniem // Oboronnyj kompleks - nauchno-tehnicheskomu progressu Rossii.-2012. -№ 3. S. 17-22.
9 E.M. Portnov, A.M. Bain, P.Ju. Chumachenko, N.I. Sidorenko, Metodika povyshenija jeffektivnosti ispol'zovanija magistral'nyh kanalov svjazi informacionno-upravljajushhih sistem v jenergetike// Oboronnyj kompleks - nauchno-tehnicheskomu progressu Rossii. -M.: FGUP “VIMT’,2012.- № 2.-C.68-73.
10 Kukushkin E.S. Metody povyshenija dostovernosti magistral'nyh signalov v
radiorelejnyh linijah svjazi// Mikrojelektronika i informatika- 2011. 18-ja
Vserossijskaja mezhvuzovskaja nauchno-tehnicheskaja konferencija studentov i aspirantov: Tezisy dokladov - M: MIJeT, 2011.
11 Dubovoj N.D. Povyshenie dostovernosti upravljajushhih signalov v radiorelejnyh linijah svjazi// Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektronika. 2009. № 3 (77). S. 90-91.
