Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Разработка метода и алгоритмов обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

Федоренко ирина ВЛАДИМИРОВНА

 

Разработка аметода аи аалгоритмов аобработки информации ав аинтегрироваНной асистеме

тревожнойа сигнализации

а

Специальность: 05.13.01

Системный анализ, управление и обработка информации

/в технике и технологиях/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

Ставрополь - 2012

 

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный

технический университет

Научный руководитель:а доктор технических наук, профессор

Слюсарев Геннадий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

аа Веселов Геннадий Евгеньевич,

декан факультета информационной безопасности

Таганрогского технологического института ЮФУ

 

кандидат технических наук, профессор

Малофей Олег Павлович, профессор кафедры высшей алгебры и геометрии Ставропольского государственного университета

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие

аа Научно-исследовательский институт специальных

информационно-измерительных систем,

г. Ростов-на-Дону

 

Защита состоится 29 июня 2012 года ва 9.00а часов на заседании

диссертационного совета Д 212.245.09 при Северо-Кавказском

государственном техническом университете по адресу:

355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова 2, СевКавГТУ, ауд. 305

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского

государственного технического университета по адресу:

355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова 2

Автореферат разослана 24 амая 2012 года

 

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук,

доцент а ааО.С. Мезенцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность задачи обеспечения безопасности объектов промышленного и гражданского назначения особенно возрастает на современном этапе социально-экономических преобразований и развития производительных сил, когда из-за трудно предсказуемых социальных, техногенных и экологических последствий чрезвычайных ситуаций возникает угроза самому существованию человеческого общества. От аварий на опасных объектах ежегодно в России получают вред около 200 тыс. человек, а погибает в результате аварий и катастроф более 50 тыс. человек. Общий экономический ущерб от чрезвычайных ситуаций техногенного характера превышает 2,0 млрд. руб. в год, а размер экологического ущерба трудно поддается исчислению.

Решение задачи совершенствования системы управления безопасностью объектов подразумевает разработку и реализацию комплекса мер по созданию программно-технических и информационно-аналитических средств обеспечения мониторинга состояния безопасности объектов в реальном масштабе времени. В состав комплексной системы безопасности, согласно ГОСТ Р 53704-2009, входят следующие технические подсистемы: дежурно-диспетчерская; производственно- технологического контроля; охранной и тревожной сигнализации; пожарной сигнализации; контроля и управления доступом; теле/видеонаблюдения и контроля; связи с объектом; защиты информации и др. Часть данных подсистем можно интегрировано рассматривать как систему тревожной сигнализации (СТС).

Объектом исследования являются интегрированные системы тревожной сигнализации, которые, в соответствии с ГОСТ Р 50775-95, можно определить как совокупность совместно действующих технических средств для обнаружения сигналов технологических аварий, пожара или нарушений охраны объектов, а также многоканального сбора, обработки, передачи и представления тревожной информации в заданном виде.

Для дистанционной передачи информации о состоянии контролируемых объектов используются телеметрические системы (ТМС), значительный вклад в теорию и практику создания которых внесли отечественные и зарубежные ученые Ильин В.А., Назаров А.В., Фремке А.В., Бэйли Д., Хаусли Т. В отличии от традиционных телеметрических систем, разделяемых по способу получения информационных сигналов на системы телесигнализации и телеизмерения, предлагаемая СТС отражает процесс интеграции существующих классов ТМС: сигнал тревоги формируется и измеряется только в случае превышения контролируемым параметром объекта установленного порогового уровня. В интегрированной СТС случайными величинами являются моменты формирования сигнала тревоги (входной поток заявок) и уровни данных сигналов (поток обслуживания заявок).

В настоящее время достигнуты значительные практические рензультаты в области моделирования и оптимизации отдельных процессов обработки информации в подсистемах СТС. Вместе с тем, на уровне выработки решений при сборе, преобразовании и кодировании тревожной информации в интегрированной СТС, как многоуровневой кибернетической системе, принцинпы системного анализа используются недостаточно.

Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.

Первая группа факторов - наличие ряда практических противоречий между постоянно возрастающими требованиями служб безопасности к пропускной способности СТС и ограниченными возможностями системы по своевременной и достоверной обработке и передаче информации вследствие наличия ошибок обнаружения сигналов тревоги,а погрешностей их преобразования и помех в линии связи, а также технологических ограничений на состав СТС.

Вторая группа факторов определяет наличие противоречия в теории между необходимостью учета влияния условий и точности обработки информации, внешней среды и ограниченности состава подсистем СТС на функциональные показатели всей системы и отсутствием результатов системного анализа, синтеза и оптимизации многоканальных интегрированных СТС, как сложных многоуровневых систем. Причиной данного противоречия является недостаточное развитие научно-методического аппарата (НМА) постановки и решения задач моделирования и оптимизации алгоритмов обработки тревожной информации и состава подсистем в структуре СТС.

Предмет диссертационных исследований - научно-методический аппарат обработки информации в интегрированной СТС, элементами которого являются методы решения задач моделирования и оптимизации объекта исследования, реализуемые в виде результатов: моделей, методик, алгоритмов и программ.

В предлагаемой диссертации основное внимание уделено рассмотрению особенностей методов системного анализа, моделирования и оптимизации состава СТС, как многофазной системы массового обслуживания (СМО).

Цель диссертационных исследований - обеспечение требований к своевременной обработке и передаче информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с учетом ошибок обнаружения сигналов,а погрешностей их преобразования и воздействия помех, а также наличия технологических ограничений на структуру СТС.

Научная задача исследований состоит в разработке метода и алгоритмов обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с целью обеспечения требований к своевременной обработке и передаче сигналов тревоги на основе системного анализа и синтеза СТС с учетом условий и точности обработки информации, воздействия внешней среды и ограниченности ресурсов.

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:

  1. Аналитическое и схемотехническое моделирование подсистемы сбора тревожной информации (ПСТИ).
  2. Моделирование и расчет состава подсистемы преобразования тревожной информации (ППТИ).
  3. Моделирование подсистемы помехоустойчивого кодирования информации (ППКИ).
  4. Оптимизация состава подсистем интегрированной системы тревожной сигнализации при ограниченном времени обработки информации.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы системного анализа, теории массового обслуживания, исследования операций, имитационного моделирования и случайных процессов.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате математического программирования и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов подтверждена результатами имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые на основе сочетания процедуры последовательного анализа Вальда и тактики линейных автоматов (в виде реверсивных регистров сдвига) предложена модель подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги в многоканальной системе.
  2. Разработана модель подсистемы преобразования тревожной информации в виде п-канальной (по числу преобразователей) системы массового обслуживания с ограниченной (по числу устройств выборки-хранения) очередью и алгоритм графо-аналитического расчета количеств преобразователей и УВХ, обеспечивающий максимальную пропускную способность подсистемы при заданных временных и технологических ограничениях.
  3. Предложены модель подсистемы помехоустойчивого кодирования информации с алгоритмом расчета среднего времени передачи, позволяющие оптимизировать распределение энергии сигнала между разрядами тревожной информации, при котором дисперсия канальной ошибки и загруженность канала связи достигают минимального значения.
  4. Разработан метод обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с оптимизированным для обеспечения максимальной пропускной способности составом подсистем, базирующийся на сочетании моделей теории массового обслуживания и алгоритма динамического программирования.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что результаты исследований применимы в решении актуальной задачи обеспечения своевременности и достоверности передачи тревожных сообщений на базе существующей аппаратуры аварийно-технологической, охранной и пожарной сигнализаций, при совершенствовании программного обеспечения для SCADA-систем, а также при разработке перспективных систем тревожной сигнализации проектными и научно-исследовательскими организациями в рамках НИР и ОКР. Научные результаты отработаны до схемных решений (в виде структурных или функциональных электрических схем) на уровне изобретений и полезных моделей, на которые получены 10 патентов Российской Федерации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

  1. Модель подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного последовательного анализа состояний объектов с уменьшенным в полтора раза средним временем обнаружения сигнала тревоги в многоканальной системе тревожной сигнализации.
  2. Структурная модель и алгоритм расчета состава подсистемы преобразования тревожной информации, как системы массового обслуживания с ограниченной очередью, позволяющие максимизировать пропускную способность СМО при оптимизации соотношения количеств измерительных каналов, устройств выборки и хранения, а также преобразователей с учетом временных и технологических ограничений.
  3. Модель подсистемы помехоустойчивого кодирования с алгоритмом расчета среднего времени передачи оцифрованных сигналов тревожной информации по каналам связи, обеспечивающие повышение помехозащиты и пропускной способности за счет динамического управления длительностями разрядов и сообщений в целом.
  4. Метод обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с оптимальным составом элементов в подсистемах СТС, рассчитанным на основе алгоритма динамического программирования, модифицированного к особенностям многофазных систем массового обслуживания и обеспечивающего максимальную пропускную способность при заданных временных и технологических ограничениях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й Международной научно-практической конференции (НПК) Информационные системы, технологии и модели управления производством (Ставрополь, СтГАУ, 2007), Международной научной конференции Актуальные проблемы и инновации в экономике, образовании, информационных технологиях (Ставрополь, СевКавГТИ, 2009), 9-м Московском международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009), Международной научной конференции Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и защиты населения в чрезвычайных ситуациях (Ставрополь, СевКавГТУ, 2010), 13-м Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий Архимед (Москва, 2010), 1-й международной НПК Современная наука: теория и практика (Ставрополь, СевКавГТУ, 2010), Международной конференции Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Томск, ТПУ, 2011), Всероссийской научной конференции Системотехника-2011 (Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2011), Всероссийских научных школах Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы и Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроникиа (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2011), 15-й региональной НТК Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону (Ставрополь, СевКавГТУ, 2011).

Публикации. Полученные автором результаты достаточно полно изложены в 28 научных работах, среди которых: 7 статей, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК РФ (Информационные системы и технологии, Вестник СевКавГТУ, Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, Обозрения прикладной и промышленной математики); статья в журнале Информационные технологии моделирования и управления; 9 тезисов докладов на научных конференциях; 10 патентов Российской Федерации на изобретение и полезные модели; свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Реализация результатов исследования:

в учебном процессе - при подготовке учебного пособия Многоканальные измерительные системы для мониторинга безопасности объектов, а также учебно-методических материалов по дисциплинам в филиале Московского государственного университета приборостроения и информатики (акт о реализации от 19.12.2011 г.) и Северо-Кавказском государственном техническом университете (акт реализации от 5.03.2012 г.);

в войсковой части 2597 - при конструировании изделия КПРС-А на этапе выбора технических решений для системы охранной сигнализации (акт о реализации от 13.12.2011 г.);

в отчетах о НИР № НК-430П-8 Разработка теоретических основ функционирования многоканальной измерительной системы для мониторинга безопасности промышленных объектов (2009-2011 гг.) в рамках реализации Федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России;

в Системе многоканальной передачи телеметрической информации, отмеченной золотой медалью на XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий Архимед (2010 г.);

в Программном комплексе оптимизации структуры многофазной системы массового обслуживания при ограниченных ресурсах - серебряные медали на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, 2009 г.) и XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий Архимед (2010 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения. Ее основное содержание изложено на 168 страницах текста, проиллюстрировано 46 рисунками и 17 таблицами. Библиографический список содержит 137 наименований.

ичный вклад автора. В совместных публикациях лично автору принадлежит: теоретическое обоснование метода обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с использованием алгоритма динамического программирования; разработка модели подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги; схемные решения по структуре подсистемы преобразования тревожной информации с ее описанием, как системы массового обслуживания; разработка алгоритма графо-аналитического расчета оптимального состава ППТИ; разработка алгоритма расчета среднего времени передачи тревожных сообщений в подсистеме помехоустойчивого кодирования с оптимальным распределением энергии сигнала между разрядами тревожной информации.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, научная задача и основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главепроведен системный анализ процессов обработки тревожной информации при мониторинге безопасности объектов. Отмечена актуальность задачи мониторинга безопасности объектов и проведен анализ контролируемых параметров в системе аварийно-технологической сигнализации. Проведен обзор SCADA-системы, как перспективы развития аварийно-технологической сигнализации, и систем охранной и пожарной сигнализаций. Представлен анализ методов преобразования сигналов тревожной информации в радиосистемах с помехами. С позиций теории выбросов случайных процессов исследованы вероятностные характеристики информационных потоков в СТС. Проведено системное описание объекта исследования (рисунок 1).

Рисунок 1 - Системное описание объекта исследования - интегрированной СТС

Осуществлена постановка научной задачи и ее декомпозиция на частные задачи исследования. Математическая постановка задачи имеет вид:

при заданных: 1) пуассоновском потоке сигналов тревоги с интенсивностью ?;

2) перечне показателей СТС: пропускной способности , времени доставкиа сообщений , стоимости элементов системы ;

3) условиях дестабилизирующего воздействия среды, приводящим к ошибкам контроля ? и ? (первого и второго рода), погрешностям аналого-цифрового преобразования сигнала, подавлению сигналов помехами в линии связи;

4) временных, финансовых и технологических ограничениях (на время ожидания заявки в очереди, допустимом числе элементов в подсистемах СТС, мощностях сигналов и помех в линии связи и т.д.)

требуется: за счет оптимизации состава подсистем СТС обеспечить максимальную пропускную способность (вероятность обслуживания сигнала тревоги) при ограниченности временных и технологических ресурсов, т.е. ааприа ,а .

Здесь аи а- количества элементов ожидания и обслуживания; и - интенсивности поступления заявок и их обслуживания d-й подсистеме.

Предлагаемый метод решения научной задачи базируется на моделировании подсистем интегрированной СТС. В рамках каждой из первых трех частных задач осуществляется моделирование одной из подсистем СТС: сбора тревожной информации; преобразования тревожной информации; помехоустойчивого кодирования. Логическая связь и последовательность решения каждой из частных задач представлена на рисунке 2. Нижние стрелки отражают теоретический материал, ранее не используемый при моделировании подсистем интегрированной СТС. Сверху каждого блока стрелками указаны условия и ограничения, которые следует учитывать в процессе решения частных задач.

Рисунок 2 - Графическая интерпретация задачи моделирования подсистем интегрированной СТС

Во второй главе проведено моделирование подсистемы сбора тревожной информации, реализующей алгоритм последовательного анализа состояний объектов. Описана модель поиска сигнала тревоги в канале анализируемого объекта на основе последовательной процедуры Вальда. Представлена дискретная реализация процедуры Вальда на основе реверсивных регистров (РР) сдвига. На рисунке 3 представлена схема ПСТИ, реализующая алгоритм двухэтапного поиска сигнала тревоги в многоканальной интегрированной СТС.

На первом этапе реализации алгоритма l-й () объект через компаратор подключается к соответствующему реверсивному регистру и опрашивается в течении 1 тактов, причем , где а- среднее число тактов для получения окончательной оценки по опросу объекта. Текущее значение напряжения с датчика асравнивается с двумя пороговыми уровнями: нижним аи верхним , которые устанавливаются индивидуально для каждого параметра. В случае аразрешающий сигнал с выхода л+ компаратора подается на суммирующий вход регистра РРl. Если , то по сигналу с выхода - компаратора состояние регистра уменьшится на лединицу. При асигнал с компаратора отсутствует и состояние регистра остается неизменным. На втором этапе объекты досматриваются в течении атактов в порядке убывания номеров состояний своих реверсивных регистров.

Рисунок 3 - Схема подсистемы сбора тревожной информации

Среднее время обнаружения сигнала тревоги (модель ПСТИ):

,а аа(1)

где а- число временных тактов на первом этапе опроса; - среднее число тактов, необходимое для вынесения решения на втором этапе, если после первого этапа l-й регистр находится в состоянии , а- состояние регистра аварийного параметра; =1 (если ), =0 (если ), а=1/2 (если ); а - среднее число тактов для анализа датчика с тревогой на втором этапе.

Определены условия, при которых подсистема сбора тревожной информации может быть представлена моделью системы массового обслуживания, в которой элементами ожидания в очереди являются реверсивные регистры, а обслуживающим прибором - устройство опроса объектов на втором этапе.

Алгоритм расчета числа тактов первого этапа , обеспечивающего экспоненциальность распределения на втором этапе, состоит из этапов:

1. Составляется система уравнений для произведений :

. (2)

2. Рассчитывается вероятность наличия сигнала тревоги в первом объекте (по результатам ранжировки после первого этапа): .

3. Выражается величина ачерез доверительный интервал аи порог :

.а (3)

4. Доверительная вероятность для первого этапа опроса: .

5. При известных , аи погрешности измерения аопределяется выборка , обеспечивающая равенство а(здесь а-коэффициент Стьюдента).

В третьей главе приведено моделирование и расчет состава подсистемы преобразования тревожной информации.

Предлагается схема многоканальной измерительной системы (рис. 4) с варьируемым числом п аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (; N - число измерительных каналов), которая реализует двухэтапный алгоритм обработки сигналов тревоги в ППТИ: на первом этапе осуществляется выборка и хранение аналоговых данных о сигнале тревоги; на втором этапе - аналого-цифровое преобразование.

Рисунок 4 - Упрощенная структура ППТИ с варьируемым числом АЦП и УВХ

Учитывая случайный характер сигналов тревоги, представляющих собой поток заявок с пуассоновским законом распределения, ППТИ можно моделировать как п-канальную СМО с ограниченной (по количеству УВХ) очередью. Время обслуживания заявок соответствует времени разряда конденсатора УВХ. Время разряда конденсатора является величиной случайной, зависящей от уровня его заряда, т.е. от значения величины выброса контролируемого параметра над пороговым уровнем. По результатам исследования положительных выбросов над высокими уровнями апоказано, что напряжение заряженного конденсатора, а, следовательно, время его разряда имеют распределения, близкие к экспоненциальному закону.

Аналитические модели ППТИ, как СМО, представлены выражениями (4) - для вероятности обслуживания заявки (относительной пропускной способности системы), зависящей от параметров АЦП, и (5) - для среднего времени ожидания заявки в очереди, зависящего от времени заряда конденсатора УВХ:

, аа(4)

, (5)

где ; ; ; аи а- длительности заряда и разряда конденсатора УВХ емкостью С; а- опорное напряжение для разряда конденсатора УВХ; а- напряжение, соответствующее усредненному выбросу контролируемого параметра; ; а- сопротивление утечки заряда с конденсатора УВХ; а- ошибка преобразования в АЦП разрядностью r.

Для решения задачи (4)-(5) предлагается алгоритм графо-аналитического расчета оптимального состава элементов ППТИ с использованием номограмм на базе графиков зависимостей , , апри фиксированных значениях интенсивностей аи , а также стоимостях УВХ аи АЦП :

по графикам аи аадля значения аопределяется максимальное значение , которое с учетом требований к целочисленности т и п округляется до значения ;

зафиксировав допустимые расходы на реализацию УВХ и АЦП числом , апо графикам аи аадля значения аопределяется максимальное значение , которое с учетом требований к целочисленности т и п округляется до значения ;

использовав критерий вида , где ; , определяется оптимальная совокупность элементов ППТИ (п* УВХ и т* АЦП).

Результаты сравнительного анализа показателей оптимизируемой и типовых структур ППТИ (для числа измерительных каналов N=4 и параметров ; ; =4 ед.; =5 ед.) представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительный анализ показателей вариантов структур ППТИ

Вариант

построения

Структурные параметры

Показатели системы

т

п

, с

С, ед.

Оптимизированный

1

3

0,954

0,116

19

Избыточный

4

4

0, 999

0,062

36

Облегченный

4

1

0,696

5,928

21

В четвертой главе приведено моделирование подсистемы помехоустойчивого кодирования сигналов тревожной информации. Показано, что наиболее уязвимыми с точки зрения воздействия помех в канале являются старшие разряды кодированной информации. Предложено для случая воздействия фиксированного уровня помех перераспределять энергетический ресурс сообщения между разрядами с целью выравнивания показателя помехоустойчивости.

Приведен алгоритм расчета среднего времени передачи тревожных сообщений варьируемой длины, соответствующего среднему времени обслуживания заявок в ППКИ, исходными данными являются диапазон возможных значений амплитуд авыбросов случайных процессов аи экспоненциальный закон распределения максимумов выбросов случайных процессов.

1. Диапазон значений амплитуд выбросов аразбиваем на r интервалов (по числу разрядов оцифрованного сигнала) и определяем ширину каждого интервала , где .

2. Для каждого интервала рассчитываем интенсивность амплитуд выбросов: , где а- число выбросов, попадающих в k-й интервал; а- суммарное число выбросов.

3. Составляем систему для последовательного расчета относительного числа выбросова в каждом интервале: .

4. Вероятности использования разрядов двоичного кода для передачи оцифрованного сообщения тревоги определяются выражениями:,а .

5. Среднее время передачи кодированного сообщения: .

Таблица 2 - Анализ параметров распределения временного ресурса между разрядами оцифрованного сигнала тревоги в ППКИ

Распределение временного ресурса между разрядами

Плотность распределения разрядов

равномерная

экспоненциальная

равномерное

 

оптимизированное

Как видно из таблицы 2, длительность передачи оцифрованного сигнала () варьируемой длины снижается в 1,8 раза (при равномерном распределении временного ресурса между разрядами сигнала) и в 7,7 раз (при помехоустойчивом кодировании - оптимизированном распределении энергии сигнала).

Обосновано применение модифицированного метода динамического программирования для расчета оптимального состава СТС, как многофазной системы массового обслуживания (рис.5).

Рисунок 5 - Представление СТС в виде Q-схемы трехфазной СМО

Постановка задача нахождения вектора аоптимального состава элементов в подсистемах СТС представлена в табл. 3, а в табл. 4 - пример ее решения для отдельных подсистем при исходных данных: ; а;а ;а ;а

Таблица 3 - Постановка задачи оптимизации состава подсистем СТС

Формальная постановка задачи

d

Подсистема

Оптимизируемые числа элементов

аа

1

ПСТИ

Реверсивные регистры сдвига (РРС)

2

ППТИ

Устройства выборки и хранения (УВХ)

3

ППКИ

Регистры буферной памяти (РБП)

Таблица 4 - Результаты предварительных расчетов

Количество МО

Подсистема СТС

ПСТИ (d=1)

ППТИ (d=2)

ППКИ (d=3)

, мс

,мс

, мс

0

0,333

0,6

0,1

0,833

0,25

0,667

1

0,439

0,789

0,116

0,968

0,321

0,857

2

0,549

0,877

0,122

0,994

0,383

0,933

3

0,646

0,924

0,124

0,999

0,427

0,968

4

0,727

0,952

0,125

0,9999

0,456

0,984

 

Обозначим амаксимальное значение вероятности обслуживания заявки в цепочке из последовательного соединения подсистем с номерами апри заданном времени ожидания. Тогда рекуррентное соотношение, связывающее адля значений индекса d, имеет вид:

; ,...

При оптимальных значениях количеств элементов в подсистемах СТС: аРРС, =4 УВХ, =2 РБП обеспечивается максимальная пропускная способность СТС (как многофазной СМО) на уровне .

Проведена сравнительная оценка эффективности предлагаемых решений на примере системы передачи извещений (СПИ) Фобос-А с параметрами, представленными в таблице 5.

Таблица 5 - Параметрыа ретранслятора СПИ Фобос-А

Подсистемы ретранслятора СПИ Фобос-А

Параметрыа ретранслятора СПИ

п, ед.

т, ед.

, с-1

, с-1

Узел регистрации тревоги

2

0

2

1

0,6

Узел преобразования (АЦП)

2

2

1,2

10

0,994

Узел формирования сообщения

1

2

1,19

2,78

0,7

Показатели СПИ Фобос-А (при завышенной интенсивности потока игналов тревоги а- как в примере с СТС): ;

.

Результаты сравнения: ; ат.е.; .

Результатом решения поставленных задач является метод обработки тревожной информации в интегрированной СТС, включающий следующие этапы:

  1. Анализ входного потока сигналов тревоги - алармов.
  2. Моделирование подсистем интегрированной СТС: сбора тревожной информации; преобразования тревожной информации; помехоустойчивого кодирования информации.
  3. Обоснование экспоненциальности распределения времени обслуживания заявок в подсистемах СТС на основе разработки алгоритмов расчета: среднего времени обнаружения объекта с сигналом тревоги на втором этапе опроса каналов с помощью ПСТИ; среднего времени разряда конденсатора в устройстве выборки и хранения ППТИ; среднего времени передачи кодированного сообщения с оптимизированной длительностью разрядов в ППКИ.
  4. Оптимизация состава элементов в подсистемах интегрированной СТС, как системах массового обслуживания с ограниченным числом мест ожидания заявок: реверсивных регистров сдвига и устройств опроса в составе ПСТИ; устройств выборки-хранения и преобразователей в составе ППТИ; регистров буферной памяти и каналов связи в составе ППКИ.

Практические рекомендации по использованию разработанного методов и полученных результатов моделирования и оптимизации структуры интегрированной СТС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

  1. Уменьшение (в полтора раза) среднего времени обнаружения сигнала тревоги в многоканальной подсистеме сбора тревожной информации возможно при реализации алгоритма двухэтапного опроса состояния контролируемых объектов в рамках модели ПСТИ, разработанной на основе сочетания процедуры последовательного анализа Вальда и тактики линейных автоматов (в виде реверсивных регистров сдвига).
  2. Моделирование подсистемы преобразования тревожной информации в виде п-канальной (по числу преобразователей) системы массового обслуживания с ограниченной (по числу устройств выборки-хранения) очередью и представлением входных заявок пуассоновским потоком выбросов случайных процессов позволяет оптимизировать соотношение количеств измерительных каналов, УВХ, а также преобразователей с учетом временных и технологических ограничений.
  3. Оптимизация распределения энергии сигнала между разрядами тревожной информации (в рамках предложенных модели подсистемы помехоустойчивого кодирования и алгоритма расчета среднего времени передачи оцифрованных сигналов) обеспечивает сокращение (от двух и более раз) длительности информационной части тревожных сообщений (следовательно, увеличение пропускной способности СТС) при выполнении заданных требований к помехозащите в условиях ограниченности энергетических ресурсов сигналов и помех.
  4. Разработанный метод обработки информации в интегрированной системе тревожной сигнализации с оптимизированным составом подсистем, базирующийся на сочетании моделей теории массового обслуживания и алгоритма динамического программирования, позволяет увеличить (в 2 раза) вероятность обслуживания (обработки) сигнала тревоги в СТС в пределах установленных временных интервалов.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК

  1. Слюсарев Г.В., Федоренко И.В. Моделирование подсистемы сбора и обработки измерительной информации в SCADA-системе // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2010. - № 6. - С. 26-28.ЦМосква.
  2. Нечистяк М.М., Федоренко И.В. Моделирование канала передачи измерительной информации с использованием программного продукта Electronics Workbench // Информационные системы и технологии. - 2010. - № 2. Ц С. 34-38. - Орел.
  3. Винограденко А.М., Федоренко И.В., Гальвас А.В. Многофазная организация обслуживания в информационно-телеметрических системах // Информационные системы и технологии. - 2010. - № 3. - С. 121-125. - Орел.
  4. Федоренко И.В., Винограденко А.М. Моделирование многоканальной измерительной системы с учетом требований к помехоустойчивости и оперативности передачи информации // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2010. - Т.17, вып.3. - С. 469-470. - Москва.
  5. Федоренко И.В. Двухэтапный алгоритм обработки сигналов тревоги в многоканальной измерительной системе // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2011. - № 5. - С. 20-23. - Москва.
  6. Подопригора Н.Б., Федоренко И.В., Особенности задач моделирования и оптимизации многоканальных информационных систем методами теории игр // Вестник СевКавГТУ. - 2011. - № 1. - С. 46-50. - Ставрополь.
  7. Слюсарев Г. В. Федоренко И.В. Оптимизация структуры системы тревожной сигнализации с ограниченным временем обработки информации // Вестник СевКавГТУ. - 2011. - № 5. - С. 34-37. - Ставрополь.

Публикации в журнале и сборниках научных конференций

  1. Федоренко И.В., Листова Н.В. Алгоритм мультиплексирования потоков разноприоритетной информации в многоканальных измерительных системах// Информационные технологии моделирования и управления. - 2010 - № 4. - С.557-563. - Воронеж.
  2. Мамонов А.С., Федоренко И.В. Двухэтапный анализ каналов в инфокоммуникационной системе при статистическом мультиплексировании // Материалы 3 Международной НПК Информационные системы, технологии и модели управления производством.-а Ставрополь: СтГАУ, 2007. - С. 39-40.
  3. Федоренко И.В. Информационные технологии центра поддержки клиентов телекоммуникационной компании // Материалы 3 Международной НСК Научный потенциал студенчества в XXI веке. Часть 1. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С.89-90.
  4. истова Н.В., Федоренко И.В. Оптимизация распределения финансов между подсистемами центра обслуживания вызовов // Материалы 3 Международной НТК Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях 2009. - Ставрополь: СевКавГТИ, 2009. С.49-50.
  5. Федоренко И.В. Метод двухэтапной обработки аварийных сигналов в SCADA-системе // Материалы 1 Международной НПК Современная наука: теория и практика. Т.3. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С.413-416.
  6. аФедоренко И.В., Винограденко А.М. Метод адаптируемости частоты измерений при мониторинге безопасности промышленных объектов // Материалы международной НПК Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и защиты населения в чрезвычайных ситуациях. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С.218-220.
  7. Федоренко И.В. Особенности преобразования сигналов тревоги в многоканальных измерительных системах // Труды Международной конференции Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Том 1. - Томск: ТПУ, 2011. - С.16-20.
  8. Федоренко И.В. Критерий оптимизации состава многоканальной измерительной системы для интегрированной безопасности объектов // Материалы Всероссийской научной конференции Системотехника-2011. - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2011. Ц С.272-280.
  9. Слюсарев Г.В., Федоренко И.В. Оптимизация структуры измерительной системы при ограничении на время нахождения в ней измерительной информации // Материалы Всероссийской научной школы Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С. 95-98.
  10. Федоренко И.В. Оптимизация структуры аналого-цифровых преобразователей в составе мехатронных модулей // Сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы Итоги и перспективы развития РоссийскоЦГерманского сотрудничества в области мехатроники.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С.74-77.

Патенты РФ на изобретения, полезные модели и свидетельство о регистрации программ

  1. Патент РФ № 2413977 на изобретение Устройство для контроля радиоэлектронных объектов от 10.03.2011 г., бюл. № 7, по заявке № 2009130179. Авторы: Федоренко В.В., Винограденко А.М., Федоренко И.В.
  2. Патент РФ № 2450447 на изобретение Устройство автоматического поиска каналов радиосвязи от 10.05.2012 г., бюл. № 13, по заявке № 2011128868. Будко Н.П., Винограденко А.М., Мельников Н.М., Мухин А.В., Федоренко И.В.
  3. Патент РФ № 68736 на полезную модель Модель сигнализации отклонений параметра при допусковом контроле от 27.11.2007 г., бюл. № 33, по заявке № 2007127186.а Авторы: Будко П.А., Федоренко В.В., Шлаев Д.В., Федоренко И.В.
  4. Патент РФ № 68728 на полезную модель Модель обслуживания трафика телекоммуникационной системы от 27.11.2007 г., бюл. № 33, по заявке № 2007125024.а Авторы: Будко П.А., Федоренко В.В., Шлаев Д.В., Федоренко И.В.
  5. Патент РФ № 90916 на полезную модель Система для контроля технического состояния радиоэлектронных объектов от 20.01.2010 г., бюл. № 2, по заявке № 2009130201. Авторы: Винограденко А.М., Семененко А.В., Федоренко И.В.
  6. Патент РФ № 96676 на полезную модель Система для контроля параметров технологических объектов от 10.08.2010 г.,а бюл. № 22, по заявке № 2010108576. Авторы: Винограденко А.М. , Федоренко И.В.
  7. Патент РФ № 105760 на полезную модель Система сбора и обработки телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов ота 20.06.2011 г.,а бюл. № 17 по заявке № 2011102133.а Автор: Федоренко И.В.
  8. Патент РФ № 105777 на полезную модель Устройство поиска сигнала тревоги в многоканальной измерительной системе от 20.06.2011 г., бюл. № 17 по заявке № 2011102136. Авторы: Слюсарев Г.В., Федоренко В.В., Федоренко И.В.
  9. аПатент РФ № 106015 на полезную модель Комплекс сбора и обработки телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов ота 27.06.2011 г., бюл. № 18 по заявке № 2011102061. Авторы: Федоренко В.В. , Федоренко И.В., Чипига А.Ф.,
  10. Патент РФ № 108873 на полезную модель Многоканальная система сбора и обработки сигналов тревожной информации от 27.09.2011 г., бюл. № 27 по заявке №а 2011114259. Авторы: Федоренко В.В., Федоренко И.В.
  11. аСвидетельство РФ № 2008614121 об официальной регистрации программы для ЭВМ Программный комплекс оптимизации структуры многофазной системы массового обслуживания при ограниченных ресурсах от 29.08.2008 г. Авторы: Винограденко А.М., Герасименко Д.С., Листова Н.В., Федоренко И.В.
     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]