Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы организации систем управления объектами в газовой промышленности 16
1.1 Типовой состав газотранспортной системы и правила её технической эксплуатации 16
1.2 Технологический процесс автоматизированного управления линейной частью магистрального газопровода 20
1.3 Обзор типового программного обеспечения для организации автоматизированного управления технологической системой передачи данных 24
1.4 Технологическая система передачи данных, особенности построения и анализ типовых устройств согласования интерфейсов 28
1.5 Краткие выводы 34
2 Синтез алгоритмов преобразования информационных данных 35
2.1 Требования к виртуальному интерфейсу и его связям c СУ ТСПД 35
2.2 Классификация виртуальных интерфейсов 38
2.3 Метод разработки виртуального интерфейса 40
2.4 Выбор среды имитационного моделирования для разработки каналов и элементов технологической системы передачи данных на основе виртуальных интерфейсов 42
2.5 Разработка виртуальных интерфейсов 44
2.6 Разработка вспомогательных компонентов, необходимых для моделирования каналов передачи данных 63
2.7 Краткие выводы 75
3 Постановка имитационных экспериментов для тестирования виртуальных интерфейсов 76
3.1 Разработка модели аналогового канала передачи данных на основе ВИ з
3.2 Разработка модели цифрового канала передачи данных на основе ВИ 82
3.3 Планирование имитационного эксперимента 85
3.4 Организация имитационных экспериментов на основе имитационной модели цифрового и аналогового каналов передачи данных 86
3.5 Краткие выводы 97
4 Организация систем управления объектами газовой промышленности на основе виртуальных интерфейсов 98
4.1 Архитектура устройств транспорта сигналов управления для интеграции алгоритмов виртуальных интерфейсов 98
4.2 Метод автоматизированного управления транспортным оборудованием на основе виртуальных интерфейсов 101
4.3 Управление конфигурацией элементов ТСПД 106
4.4 Предоставление канала передачи данных для организации управления газопроводом 112
4.5 Применение алгоритмов виртуальных интерфейсов для разработки программных модулей управления оборудованием транспорта сигналов управления 116
4.6 Применение виртуальных интерфейсов в смежных областях науки 120
4.7 крАткие выводы 128
Заключение 129
Литература
- Технологический процесс автоматизированного управления линейной частью магистрального газопровода
- Классификация виртуальных интерфейсов
- Разработка модели цифрового канала передачи данных на основе ВИ
- Метод автоматизированного управления транспортным оборудованием на основе виртуальных интерфейсов
Введение к работе
Актуальность. Сегодня трудно представить отрасль газовой промышленности без системы управления технологическими процессами (СУ), состоящей из целого набора специализированных инженерно-технических комплексов, обеспечивающих управление процессами добычи, транспортировки и переработки природного газа.
В состав инженерно-технических комплексов входит технологическая система передачи данных (ТСПД) состоящая из оборудования транспорта сигналов управления, отвечающего за надежную доставку команд от программного обеспечения СУ до программируемого логического контроллера (ПЛК) и затем к исполнительному механизму. Следовательно, надежность функционирования газотранспортной системы имеет прямую зависимость от элементов ТСПД, которая нуждается не только в качественной эксплуатации, но и требует организацию соответствующих СУ для ТСПД.
Так как современное развитие систем передачи данных стремится к глобализации, т.е. к созданию единого информационного пространства, единой унифицированной системе передачи данных и стандартов обмена информацией и внедрению новых технологий в важные сферы деятельности общества, следовательно, проблема согласования взаимодействия разнородных программ СУ с элементами ТСПД через устройства согласования интерфейсов сигнализации и протоколов, является актуальной задачей, и для газотранспортных предприятий, позволяющей обеспечить работоспособность всей вертикали СУ газотранспортной системы.
При этом увеличение количества программных средств для СУ влечет за собой рост количества устройств согласования интерфейсов (УСИ), которые образуют преобразовательное звено, являющееся дополнительным источником помех в контуре управления магистральным газопроводом, следовательно, требуется исключить УСИ из контура управления СУ, а так как данная функция согласования является необходимой для обеспечения функционирования СУ ТСПД, следовательно, реализовать её в составе элементов ТСПД в виде виртуального интерфейса.
Данный метод согласования взаимодействия оборудования передачи данных с СУ ТСПД позволит усовершенствовать его конструкцию и реализовать новые подходы к управлению объектами на основе виртуальных интерфейсов, что окажет прямое влияние на надежность функционирования каналов передачи данных, организованных, в первую очередь, для обеспечения работоспособности СУ транспортировкой газа.
В настоящее время отмечается достаточно высокий уровень развития фундаментальных исследований в области передачи данных, посвященных таким аспектам, как: проектирование систем управления, Костин А. Ю.; управление услугами Яковлев С. В.; управление нагрузкой в каналах связи Федотов А. А.; разработка многофункциональных устройств, Янчук Е. Е., определены множество
стандартов, описывающих технологии управления и сами структуры систем передачи данных. В этом направлении известны работы: Гребешкова А. Ю.; Голь-дштейн Б. С.; Самуйлов К. Е.; Довгого С. А.
Однако, анализ данных источников показал, что в них недостаточно полно освещены вопросы взаимодействия оборудования передачи данных с разными типами программ СУ ТСПД, которая обладает рядом отличительных особенностей, от традиционных систем передачи данных, где оконечными устройствами являются комплексы исполнительных механизмов, предназначенных для управления газотранспортной системой.
Выделенные недостатки стали главной задачей при определении актуальности предложенной темы диссертационного исследования, основанного на теории моделирования сложных технических устройств и систем (СТУС), примененной к объектам и системам управления элементами ТСПД.
Объектом исследования является система управления технологическими объектами в газовой промышленности.
Предметом исследования являются элементы сети передачи данных, предназначенные для преобразования информации с целью организации взаимодействия между технологическим объектом и системой управления.
Цель исследования
Повышение эффективности системы управления технологическими объектами газовой промышленности путем синтеза алгоритмов преобразования данных входящих в виртуальные интерфейсы.
Задачи исследования
-
Провести сравнительный анализ существующих систем управления и характеристик устройств преобразования данных (УПД) для выявления факторов, влияющих на организацию взаимодействия между объектом управления и элементами передачи данных.
-
Выполнить синтез типовых алгоритмов преобразования входящих в виртуальный интерфейс для преобразования векторов информационных сигналов в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.
-
Разработать модели типовых элементов передачи данных, обеспечивающих взаимодействие управляемых объектов и системы управления.
-
Разработать и провести экспериментальные исследования модели системы управления технологическими объектами на основе виртуальных интерфейсов в составе элементов передачи данных.
Научная новизна
-
Выполнен синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.
-
Разработаны модели типовых преобразовательных элементов в составе сети передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.
3. Построена и исследована модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.
Теоретическая значимость
Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в совершенствовании методов повышения эффективности и эксплуатации ресурсов технологической сети передачи данных, качества обслуживания её элементов и надежности их эксплуатации в составе СУ газотранспортных и газодобывающих предприятий.
Предложенные автором, алгоритмы и компьютерные модели виртуальных интерфейсов развивают методы управления конфигурацией элементов сети передачи данных в рамках теории автоматизированного управления технологическими объектами газовой промышленности.
Практическая значимость
-
Предложенные модели виртуальных интерфейсов позволяют обеспечить независимость объектов управления от типа коммуникационного оборудования, обеспечивающего их взаимодействие с программно-аппаратными комплексами систем управления в газовой промышленности.
-
Синтез алгоритмов преобразования в виде виртуальных интерфейсов позволяет организовать систему управления технологическими объектами независящую от технологии обработки и преобразования данных.
-
Часть предложенных алгоритмов преобразования данных в составе ВИ защищена свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, что способствует повышению конкурентоспособности устройств, преобразования, обработки и передачи данных, производимых в РФ.
-
Результаты работы внедрены в сеть диспетчерского управления технологической сетью передачи данных ООО «Газпром трансгаз Томск» в виде программного комплекса для управления волоконно-оптическими мультиплексорами, о чем свидетельствует акт внедрения.
-
Компоненты библиотеки виртуальных интерфейсов БВИ «Телеком» для среды моделирования МАРС внедрены в процесс обучения студентов кафедры моделирования и системного анализа, по дисциплине «Телекоммуникационные системы» что подтверждается актом внедрения.
Методологическая и теоретическая основа
В ходе диссертационного исследования были использованы элементы моделей и методов теории компонентных цепей, теории передачи информации, теории передачи данных, теории радиотехники и электроники.
При решении практических задач использовались методы математического и имитационного моделирования.
В качестве инструментария для решения практических задач использовались программы: расчета параметров электрических схем Multisim, среда моделирования и автоматического расчета систем (МАРС), язык программирования С++ в среде Microsoft Visual Studio 2012, программное обеспечение Agneco
SNMPc, предназначенное для мониторинга состояния сетевых элементов и управления ими.
Защищаемые положения
-
Синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.
-
Модели типовых преобразовательных элементов в составе сети передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.
-
Модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых методов моделирования СТУС, совпадением результатов имитационных испытаний c требованиями, предъявляемыми к каналам и технологической системы передачи данных. Все разрабатываемые алгоритмы автоматизированного управления конфигурацией элементов ТСПД и программные модули тестировались путем проведения циклов замкнутого моделирования в СМ МАРС.
Апробация работы и публикации
Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на:
Молодежных, научно-практических конференциях ООО «Газпром трансгаз Томск», г. Томск, 2009, 2011, 2013 гг.;
Международной научно-методической конференции, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;
Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;
Международный молодежный форум «Engineers of future», г. Иркутск, 2011 г.;
Конференция ученых, руководителей, специалистов и студентов, г. Новый Уренгой, 2012 г.;
Всероссийский конкурс «Телеком идея», г. Москва, 2012 г.;
Новые технологии газовой промышленности. Моделирование, автоматизация и управление. РГУ нефти и газа им. Губкина г. Москва, 2013 г.;
Конференция молодых ученых и специалистов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», г. Екатеринбург, 2012, 2013 гг.;
Международный технологический конгресс SITOGIC, г. Горно-Алтайск, 2013 г.
Результаты выполненных исследований и технических разработок, связанных с темой диссертации, изложены в 2 журналах, входящих в перечень ВАК, в сборниках и трудах международных конгрессов, всероссийских конференциях
опубликовано 12 печатных работ. Получены 2 авторских свидетельства на программное обеспечение Роспатент Российской Федерации.
Личный вклад автора
Постановка задач и разработка концептуальных положений диссертации выполнена совместно с научным руководителем д.т.н., профессором Дмитриевым В.М.
Автором осуществлялась: теоретическая разработка и обоснование основных идей и положений исследуемого вопроса автоматизированного управления технологической сетью передачи данных; организация и разработка алгоритмов виртуальных интерфейсов, постановка имитационных экспериментов; апробация и реализация результатов исследования. Основная алгоритмическая структура ВИ для преобразования сигналов телеуправления и телесигнализации выполнена совместно с доцентом, к.т.н. Ганджа Т.В.
Технологический процесс автоматизированного управления линейной частью магистрального газопровода
Согласно стандарта технической организации ОАО Газпром [20], регламентирующего правила эксплуатации магистральных газопроводов, современная газотранспортная система (ГТС) представляет собой сложный, территориально распределенный, многофункциональный объект, а также является совокупностью взаимосвязанных газопроводов и сопутствующих им сооружений, предназначенных для обеспечения газом потребителей [21], основными составными частями которой являются: - линейная часть магистрального газопровода (ЛЧ МГ), объединяющая компрессорные станции в единую газотранспортную систему для передачи газа от газовых промыслов к потребителям газа; - компрессорные станции (КС), предназначенные для увеличения производительности магистрального газопровода за счет повышения давления газа на выходе станции путем его сжатия с помощью газоперекачивающих агрегатов; - подземные хранилища газа (ПХГ), предназначенные для регулирования неравномерности газопотребления, связанной с сезонными колебаниями спроса на природный газ, а также для образования в основных газопотребляющих районах оперативного и стратегического резервных запасов для поддержания стабильности поставок газа. - газораспределительные станции (ГРС), предназначенные для редуцирования газа при его поставке газораспределительным организациям, коммунально-бытовым и промышленным потребителям с заданным давлением, расходом, необходимой степенью очистки, одоризации, учетом расхода газа, и, при необходимости, контроля качественных показателей; газоизмерительные станции (ГИС), представляющие собой самостоятельный технологический объект магистрального газопровода, который устанавливают на линейную часть и предназначен для измерения количественных и качественных показателей природного газа; - электроустановки, предназначенные для производства, преобразования, передачи, распределения электрической энергии [22]; - системы и средства автоматизации технологических процессов, телемеханизации, метрологии и передачи данных, предназначенные для организации СУ добычи, транспорта и подготовки газа. Диспетчерский пункт
Технологический процесс транспортировки газа Типовая схема процесса транспортировки газа, организованная на основе перечисленных выше составных частей газотранспортной системы, представленная на рисунке 1.1, включает: ЛЧ МГ; компрессорные станции – 4 шт.; контрольные пункты телемеханики (КП ТМ) - 2 шт.; ГРС; ГИС; линейно производственное управление магистральным газопроводом (ЛПУ МГ); программные комплексы СУ, взаимодействующие с крановыми узлами (КУ) через программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые располагаются в составе КС, ГРС, ГИС, КП ТМ.
Каждый из представленных объектов магистрального газопровода нуждается в обеспечении их элементами ТСПД, в частности для крановых узлов, находящихся в близи компрессорных станций не требуется значительных технических ресурсов на организацию каналов передачи данных, однако сами компрессорные и газораспределительные станции представляют собой сложные комплексы, для которых необходимы каналы передачи данных, обеспечивающие взаимодействие СУ станций, c контроллерами, измерительными приборами, датчиками и исполнительными механизмами [23]. Однако, для крановых узлов, расположенных вдоль линии магистрального газопровода, организуются соответствующие КП ТМ, для организации взаимодействия с которыми необходимы комплексы систем передачи данных, состоящие из транспортного оборудования ТСПД.
Эксплуатация магистрального газопровода является неотъемлемой частью технологического процесса транспорта газа, которая производится в течении всего периода жизни МГ с момента приёма-передачи его в эксплуатацию, после выполнения строительных работ. Основными задачами при этом, согласно правил технической эксплуатации МГ [24], являются: - обеспечение надежной работы оборудования; - достижение максимальной эффективности эксплуатации газопровода; - модернизации газопровода, внедрение новой техники и научной организации производства и труда; - повышение производительности труда, снижение себестоимости транспортировки газа; - защита окружающей среды; - повышение квалификации, распространение передовых методов производства и опыта новаторов, развитие рационализации и изобретательства. Необходимо отметить, что эксплуатация технологических систем передачи данных (ТСПД) также является неотъемлемой частью эффективной эксплуатации газопровода, которая выделенная в разделе №8 правил эксплуатации МГ [24], как составной объект СУ.
В данном диссертационном исследовании затронут вопрос оптимизации использования ресурсов ТСПД, входящей в состав СУ и представляющей собой совокупность следующих транспортных объектов (рис. 1.1): - узловая радиорелейная станция (УРС), - промежуточные радиорелейные станции (ПРС), - волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС), - кабельная линия связи (КЛС). Задача ТСПД заключается в обеспечении надежного взаимодействия программного обеспечения СУ и программируемых логических контроллеров, управляющих технологическими механизмами, а также в обеспечении гибкости предоставления каналов передачи данных для организации взаимодействия с вновь вводимыми (дополнительными) управляемыми объектами магистрального газопровода, в том числе при проведении профилактических и ремонтно-восстановитель-ных работ. Для организации качественного и оперативного взаимодействия СУ с ПЛК, технологическая система передачи данных оборудована соответствующей автоматизированной системой управления, позволяющей выполнять параметрическую настройку и контроль оборудования транспорта сигналов управления. Необходимо отметить, что ТСПД строится вдоль линии магистрального газопровода, обеспечивая каналами передачи данных все производственные объекты. Таким образом СУ ТСПД является неотъемлемой частью СУ магистрального газопровода, и от ее эффективной эксплуатации зависит надежность поставок газа потребителям.
Классификация виртуальных интерфейсов
Исходя из основного назначения виртуальных интерфейсов, в составе элементов ТСПД, выполним определение функции Q -преобразования, на основе программных алгоритмов первичной обработки сигналов, где: исходящим и входящим сигналом со стороны канала передачи данных является y{t), а внутри оборудования (на общей шине данных) входящим и исходящим сигналом является x(t). На основе классификации и типов ВИ, рассмотренной в п.2.2, сформулируем четыре принципа Q -преобразования, где первый и третий относятся к классу ВИПС, а второй и четвертый - ВИПД: 1) Q1(x1) - прямое преобразование сигналов управления У ТС, при их передаче от СУ ТСПД к УТС; 2) Q11(y2) – обратное преобразование информационных сигналов (результат управления), при их передаче от УТС к СУ ТСПД; 3) Q2(х1) – прямое преобразование сигналов управления магистральным газопроводом, при их передаче от СУ ЛЧМГ к КП ТМ; 4) 62( 2) – обратное преобразование информационных сигналов (результат управления), при их передаче от КП ТМ к СУ ЛЧМГ. Представим ВИПС в виде совокупности двух мультиплексоров (MUX) и Qi преобразователя, где в качестве управляющего сигнала для MUX1 является категория информационного сигнала а1 и а2, а для MUX2 – адрес назначения команды управления d (рис. 2.3). Для ВИПС, изображенного на рисунке 2.3, входным сигналом является вектор I, представляющий собой совокупность измеренных значений сигналов (2.4) X1=x (t) Y2=y(t), и их категорий срочности, a1 и а2 соответственно, которые могут принимать следующие значения: 1 – срочное, 2 – несрочное, 3 – информационное, 4 – нормальное. СІ] СІ2ї MUX1 -- її ={Хі, СІ], Y2,fyL Г1 І2={Хі,СІі,Ї2,СІ2} Модель виртуального интерфейса ВИПС Выходной сигнал представлен вектором U со значениями для организации управления ВИПД.
На основе значений вектора I, на входе и выходе ( -преобразователей формируется последовательность цифровых сигналов x(t), для их последующей обработки ВИПД в прямом направлении и обработки ВИПС через Qf1 - в обратном. Для удобства представления обрабатываемых сигналов x(t) и y(t) относительно направления преобразования, выполняемого ВИПД, определим xi(t) и X2(t) - как первичные сигналы для Q2, а yi(t) и y2(t) - вторичные, для Модель виртуального интерфейса ВИПД Представим структуру ВИПД на основе взаимодействия блоков ( -преобразования, исполнительных устройств (ИсУ) и измерительных устройств (ИзУ) (рис. 2.4), где на базе ключей К1 и КЗ организовано управление первичным сигналом, а на ключах К2, К4 - управление вторичным сигналом.
Для организации управления ВИПД через ИсУ определен вектор состояния U, а информация об ошибках кодирования и преобразования сигналов формируется вектором I.
На основе введенных обозначений сигналов, состояние ВИПД будет определено следующими уравнениями: - передача сигнала в канал Y у
Так как в качестве среды имитационного моделирования выбрано программное обеспечение МАРС, следовательно, виртуальные интерфейсы ВИПД и ВИПС реализуем в виде макрокомпонентов K1 и K2 (рис. 2.5), информационные и энергетические взаимосвязи между которыми образуют компонентную цепь [52].
Взаимодействие между ВИПД и ВИПС Однако, существует особенность в части представления виртуальных интерфейсов в среде моделирования, так как алгоритмы Q-преобразования как в прямом, так и в обратном направлении имеют отличия, следовательно, они разбиты на два соответствующих компонента. При этом, учитывая возможности среды моделирования в части организации макрокомпонентов M из совокупности компонентов Ki,
Дополнив схему (рис. 2.5) макрокомпонентом K3 и определив его взаимодействие с К1 и К2 информационными связями, основанными на векторах I, U, а также и энергетическими, образованными сигналами x(t) и y{t), получим типовую схему преобразования сигналов управления для КП ТМ, формируемых СУ транспортом газа, а также определим их маршрутизацию через шину управления и шину данных элементов ТСП Д. где / = 1..п, такое разбиение будем считать допустимым, следовательно, виртуальным интерфейсом будет считаться совокупность минимум двух компонентов, реализующих функции преобразования в направлении передачи сигнала (Tx) и его приема (Rx).
Для интерпретации типовых комплексов, состоящих из устройств транспорта сигналов, входящих в состав СУ ТСПД, необходима реализация всех типовых интерфейсов передачи данных, представленных в таблице. 2.1, в виде компонентов, имеющих соответствующую приставку в названии Tx или Rx. При этом, в совокупности, разработанные компоненты образуют библиотеку виртуальных интерфейсов «Телеком».
Данные компоненты возможно использовать для формирования моделей типовых каналов передачи данных и определять необходимый состав виртуальных интерфейсов для устройств транспорта сигналов в части организации взаимодействия между КП ТМ и СУ.
Таким образом, методология виртуальных интерфейсов, дает возможность реализовывать преобразовательные устройства и элементы ТСПД для организации цифровых каналов передачи данных как некоторую оболочку c микроконтроллерами портов ввода/вывода, функционал которых определяется запрограммированными алгоритмами виртуальных интерфейсов.
Конец Рисунок 2.6 – Классический алгоритм соединения абонентов Для аналоговых интерфейсов, а также в частных случаях для цифровых, образующих 2-х и 4-х проводное подключение оборудования (в зависимости от типа оконечного оборудования), взаимодействие происходит на основе алгоритма, представленного в виде блок-схемы (рис. 2.6). Однако для большинства цифровых интерфейсов, при разработке алгоритма, необходимо обращаться к протоколу взаимодействия портов ввода/вывода между собой.
Необходимо отметить, что описание взаимодействия между интерфейсами, согласно классических методов представления алгоритма в виде блок схем не информативно, в части отображения взаимодействия устройств транспорта сигналов между собой, так как в процессе информационного обмена выполняется обмен сигналами управления соединением, следовательно, целесообразно реализовать алгоритм в виде диаграммы последовательностей [53], позволяющей отображать взаимодействие объектов (интерфейсов) в динамике, с указанием ключевых этапов классического алгоритма. Пример данной диаграммы представлен на рисунке 2.20.
Разработка модели цифрового канала передачи данных на основе ВИ
Однако, на этапе «ШАГ 3», усредненная величина уровня остаточного затухания, принимаемого сигнала в точке КТ-2 (рис. 3.9), начинает изменяться в пределах допустимых отклонений, представленных в таблице 3.2., согласно которой были определены три типа информационных сигналов для аналоговых каналов передачи данных, которые возникают при выходе измеренных значений за пределы пороговых значений: 1) Уровень шума незанятого канала, дБ; 2) Остаточное затухание сигнала и отклонение его величины, дБ; 3) Опорная частота, отклонение опорной частоты, Гц. Поскольку все основные измерения параметров сигналов выполняется в кон трольной точке КТ-2, следовательно, основными компонентами в имитационной модели аналогового канала передачи данных являются ВИПД FXS/FXO, и, для эф фективной работы данных компонентов необходимо дополнить их средствами из 92 мерения и установить варьируемые пороги срабатывания аварийных и информационных сообщений с соответствующими категориями срочности, т.е. организовать его связь с ВИПС SNMP.
При этом работоспособность имитационной модели «Аналоговый канал передачи данных» в части организации взаимодействия между абонентами и организации автоматизированного управления считается доказанной, что подтверждается результатами полученных измерений.
Целью проведения имитационного эксперимента №2 является, наряду с выполнением тестирования ВИПД в контрольных точках по остаточному затуханию (согласно п.3.1), проверка работоспособности алгоритма временного уплотнения 30-ти каналов передачи данных в цифровой канал, с интерфейсом G.703, схема которого представлена на рисунке 3.9.
Так как в данном эксперименте используется метод временного уплотнения каналов, следовательно, согласно поставленного плана эксперимента в п. 3.1, возможно объединить измерения, связанные с контролем остаточного затухания, выполняющихся на этапах ШАГ 1, ШАГ 2 и ШАГ 4, что позволит параллельно контролировать работу каждого канального интервала по остаточному затуханию.
ШАГ 1, 2, 4: Тестирование имитационной модели на опорных частотах. В качестве опорных частот для эксперимента №2 установлены следующие значения источников гармонических сигналов с уровнем +4 дБ: - ES-1 = 800 Гц; - ES-2 = 1000 Гц; - ES-3 = 1200 Гц; - WAV - источник переменного сигнала из аудио-файла. Рисунок 3.16 – Результат тестирования имитационной модели «цифровой канал» В результате проведенных измерений в КТ получен результат, изображенный на рисунке 3.16, на котором видно сходство передаваемого аналогового сигнала частотой 800 Гц в контрольных точках U1 и U2 (рис. 3.9), а также при выполнении сравнения гармонических сигналов от ES-2 и WAV в соответствующих КТ, что в свою очередь свидетельствует о корректной работе ВИПД G.703.
Данный компонент вносит помехи в цифровой канал передачи данных и оказывает влияние на форму полезного сигнала y(t) (рис. 3.17), следовательно, согласно прямой зависимости работы алгоритма Q-преобразователя от последовательности цифровых импульсов и их формы, наблюдаются ошибки при декодировании y(t), что соответственно отражается на форме первичного сигнала x(t), при этом данные ошибки выражаются в виде кратковременных импульсов (рис. 3.20), сравнимых с импульсными помехами p(t), характеризующихся кратковременными тресками, возникающими, например, при общении двух абонентов. Схема тестирования взаимодействия ВИПД и ВИПС с СУ ТСПД Так как входной сигнал x(t) = 0 следовательно, на выходе ВИПД G.703 формируется последовательность состоящая только из единиц, используемая для поддержки синхронизации при потере или отсутствии входного сигнала x(t). Таким образом, измеренное значение сигнала X1 = 1, а категория при срочности as = a1, тогда информационный вектор принимает следующие значения: I={1, a1, 0, a4}, где: a1 – категория «срочный сигнал», a4 – категория «информационный сигнал».
Рисунок 3.20 – Информационное сообщение SNMP от ВИПД G.703 Согласно правила работы селективного мультиплексора компонента ВИПC в СУ ТСПД, через порт ввода/вывода УТС, отправлено сообщение вида:
УТС-1: G.703: Порт-1: Сигнал AIS". где: УТС-1 – идентификационный номер устройства транспорта сигналов; Порт-1 – номер порта ввода/вывода. На рисунке 3.20 изображен результат передачи сообщения в программное обеспечение SNMPc v7.2, которое отправлено ВИПД на ip-адрес 10.70.1.142. 3.4.4 Подведение итогов по имитационному эксперименту №2 На основе предложенной методики тестирования выполнена проверка работоспособности виртуального интерфейса G.703 путем имитации установки локального шлейфа между приемником ИКМ Rx и передатчиком ИКМ Tx. В качестве источника сигнала ко входам компонента ИКМ Тx подведены три генератора гармонических колебаний и дополнительный источник случайного гармонического сигнала из оцифрованного звукового файла.
В качестве мешающего воздействия (шума), применен источник Белого шума, при увеличении уровня которого до -23 дБ передача всех гармонических сигналов оставалась постоянной, а при большем значении уровня шума – зафиксировано заметно ухудшение качества гармонического сигнала, либо он полностью отсутствовал, что связано с некорректной работой сверхцикловой синхронизации и появлением битовых ошибок при декодировании последовательности импульсов.
Необходимо отметить, что для анализа коэффициентов ошибок в цифровых каналах передачи данных требуется разработка специфических компонентов, позволяющих оценить требуемые параметры качества, для среды имитационного моделирования, что не является задачей диссертационного исследования.
Измеренные значения уровней гармонических сигналов, выполненные соответствующими компонентом «вольтметр», на стороне приемника ИКМ Rx полностью соответствуют предъявляемым требованиям к эффективной полосе частот канала передачи данных.
Результаты проведенного эксперимента дают основание полагать, что алгоритмы Q-преобразования функционируют корректно, с учетом отсутствия помех в моделируемом цифровом канале передачи данных.
При этом работоспособность имитационной модели «Цифровой канал передачи данных» в части организации взаимодействия между виртуальными интерфейсами и организации взаимодействия виртуальных интерфейсов с автоматизированной системой управления ТСПД считается доказанной, что подтверждается результатами имитационных экспериментов.
Метод автоматизированного управления транспортным оборудованием на основе виртуальных интерфейсов
Для эффективного применения виртуальных интерфейсов в составе транспортного оборудования, необходимо выполнить автоматизацию разработки соответствующих модульных приложений для СУ ТСПД, отвечающих за выполнение следующих функций: - организация взаимодействия СУ ТСПД с УТС при необходимости выполнить команды управления (рис. 4.17); - управление конфигурацией УТС средствами визуального программирования; - визуальное отображения информации о статусе УТС; - хранения истории событий и конфигурационных файлов. Схема взаимодействия УТС ВИ по протоколу SNMP с СУ ТСПД При этом взаимодействие между СУ ТСПД и УТС осуществляется следующими двумя способами: 1) Мониторинг УТС: в этом случае программное обеспечение СУ ТСПД получает только информационные сообщения, об изменении статуса УТС, при этом СУ ТСПД, по заранее определенному алгоритму, производит либо оповещение администратора сети, либо реализацию заранее определенных функций автоматического управления, например, резервирование каналов передачи данных. 2) Управление УТС: в этом случае администратор выполняет обращение к программному модулю управления, выполняющий запросы к транспортному оборудованию, для автоматизированного управления его конфигурацией: маршрутизации, статусом интерфейсов, статусом портов ввода/вывода и т.д., которые отображаются на графическом интерфейсе программного модуля управления.
В ходе исследования определен метод графического программирования УТС как основополагающий, что позволяет обеспечить реализацию исследуемого подхода к автоматизированному управлению транспортным оборудованием.
Модульный принцип программирования широко применяется при создании различного программного обеспечения [88], следовательно, выполнив разработку визуального графического интерфейса для каждого из алгоритмов виртуальных интерфейсов возможно организовать автоматизированное создание модуля управления и конфигурацией УТС, по принципу разработки макрокомпонента «Шум», рассмотренного в п. 3.1.
Данный принцип автоматизированного управления реализуется за счет информации о конфигурации УТС, хранящейся в его памяти (рис. 4.1), которая при обращении к нему загружается в модуль управления. Данная функция сравнима с операцией открытия файла, которая реализована практически в любом программном обеспечении.
Если рассмотреть пример УТС на схеме организации первичной ТСПД (рис. 4.16), то на основе перечня виртуальных интерфейсов, входящих в состав оборудования передачи данных, назначенные в процессе его конфигурации, будет получен следующий графический образ модуля управления (рис. 4.18).
Цветовая гамма соответствует срочности информационных сигналов, возникающих на портах ввода вывода и соответствующих ВИ, где: «зелёный» - нормальное состояние; «красный» — срочное сообщение; «желтый» — предупредительное сообщение; «синий» — недоступность порта или интерфейса.
В данном случае активные порты ввода/вывода и виртуальные интерфейсы обозначены «зеленым» цветом, что соответствует нормальному их состоянию и сообщения о неисправностях отсутствуют.
Следовательно, для интеграции УТС в СУ ТСПД необходимо наличие следующих основных составляющих:
Разработанные ВИ в совокупности образуют библиотеку «Телеком», на основе которой стало возможным не только разрабатывать и совершенствовать СУ ТСПД, но и выполнять исследование и изучение переходных и преобразовательных процессов, происходящих в УТС при выполнении операций мультиплексирования, преобразования и управления каналами в системах передачи данных. Они также позволяют выполнять практические (лабораторные) занятия, поясняющие принципы организации систем передачи данных. Примеры таких исследований возможно организовать по методу тестирования ВИ, обозначенных в третьей главе диссертационного исследования.
Среда имитационного моделирования МАРС, на основе библиотеки виртуальных интерфейсов, получила возможность организовывать систему распределенных и параллельных вычислений [89,90], что позволит при организации высокоточных и сложных моделей выполнить ее разделение на соответствующие модули, каждый из которых реализуются на дополнительных ЭВМ.
Так как СУ ТСПД, представленная в первой главе диссертации, возможно представить в виде модулей ТСПД: программное обеспечение; транспортное оборудование; виртуальные интерфейсы, следовательно, данные модули возможно заместить компьютерными моделями, выполняющими одноименные функции взаимодействие между которыми осуществляется через виртуальные интерфейсы. При этом имеется определенное сходство такого способа моделирования с распределенными вычислительными системы (РВС) [90,91], которые необходимы для решения трудоемких задач [92], например: разведка нефти и газа; распознавание и синтез речи; распознавание изображений и т.д., с использованием нескольких ЭВМ (рис. 4.20).
Для организации модели СУ ТСПД на основе ВИ выполним реализацию каждого модуля СУ на отельной ЭВМ, в среде имитационного моделирования. Определим взаимодействие между модулями СУ через виртуальные интерфейсы «Ethernet», посредством которых выполняется передача результатов моделирования.
Необходимо отметить, что при этом отсутствует как таковой «сервер», который отвечает за централизацию данных, что является дополнительным преимуществом, позволяющим передавать результаты имитационных экспериментов от любого узла локальной модели к любому узлу, реализованному на модели дополнительной ЭВМ (рис. 4.21).