Разработка метода повышения достоверности и оперативности передачи данных системами телеконтроля и телеуправления магистральных газопроводов

Актуальность проблемы.

Добыча газа и протяженная транспортировка по трубопроводам объективно сопряжена с техногенными опасностями. Максимально снизить уровень рисков призвано надежное и оперативное управление процессом эксплуатации таких объектов, обеспеченное эффективными средствами телеконтроля и телеуправления. Существующие комплексы телеконтроля и телеуправления (КТК и ТУ) во многом решают эти задачи. Однако у безопасности нет верхней границы. Поэтому поиски путей повышения эффективности КТК и ТУ остаются актуальными.

Современные информационные технологии способны обеспечить требуемую надежность управления в КТК и ТУ, если будет выполнено условие — высокая достоверность и оперативность информации при ее передаче по каналам связи между подсистемами комплекса.

При разработке перспективных комплексов телеуправления возникает необходимость искать новые возможности в решении трех традиционных проблем: точность телеизмерений, надежность телеконтроля, оперативность телеуправления.

Точность измерений зависит от способа передачи информации, характере помех в телеметрическом канале и их интенсивности. В результате величина погрешностей измерения определяется помехоустойчивостью и помехозащищенностью приемника сигналов.

Надежность телеконтроля связана с зашитой приемника от помех различного происхождения, поскольку они могут маскировать или искажать сигнал предаварийной ситуации, а также формировать сигналы ложной тревоги.

Сигналы телеуправления, имеющие, как правило, нерегулярный эпизодический характер, передаются по каналу наряду с другими сигналами.

Оперативность обусловлена трафиком, обеспечивающим минимальные временные задержки команд.

С учетом этих обстоятельств в данной работе исследуются возможности повышения эффективности КТУ в условиях действия помех при заданных ограничениях на скорость передачи информации, полосу занимаемых частот, количество используемых каналов и мощность сигналов, что особенно актуально при использовании эффективных каналов передачи информации.

Как и все радиоканалы передачи информации каналы радиотелеметрии подвержены влиянию радиопомех различного происхождения — шумов естественного и техногенного происхождения, индустриальных импульсных помех, аналоговых помех от радиостанций и т. д. Это важная особенность радиотелеметрии подчеркнута уже в первых известных работах [1-^-3].

Основы методологии защиты систем передачи информации от помех были заложены в фундаментальных работах А. Н. Колмогорова [4 ], Н. Винера [6], Д. В. Агеева [7], В. А. Котельникова [5], Ф. М. Вудворда [8], Д. Мидлтона [9] и далее развиты их многочисленными последователями [1(Ь-22].

Созданная ими общая теория связи представляет собой обширную теоретическую базу для решения многих конкретных задач защиты сигналов от шумов и помех различного происхождения.

Разработчик конкретной системы связи, опираясь на теоретические постулаты, формулирует требования по качеству приема информации, оценивает свойства помех (статистические и энергетические) в канале связи и выбирает рациональный способ передачи сообщений.

Защита от радиопомех различного происхождения, частотно-временной структуры и интенсивности базируется на отличиях между сигналом и мешающим воздействием. При этом используется согласованная фильтрация [13], или компенсаторы [39-Н-4] импульсных помех.

Для борьбы с импульсными помехами большой амплитуды и с малой длительностью успешно применяются приемники, выполненные по схеме ШОУ (Широкополосный усилитель — Амплитудный Ограничитель.

Узкополосный усилитель) [67]. Оценки эффективности применения перечисленных способов защиты от импульсных помех приведены в [44], где показано, что общим свойством устройств подавления является ухудшение эффективности приема при воздействии на них помех с «неимпульсной» структурой, т. е. снижение чувствительности приемника.

В системах передачи дискретной информации шумы и помехи маскируют различия между вариантами сигнала, и для уменьшения вероятностей ошибок весьма эффективно использование шумоподобных сигналов (ШПС) с большой базой [34]. Очевидно, что при этом высокая помехозащищенность достигается или за счет снижения скорости передачи информации, или за счет расширения диапазона используемых частот. Другой вариант использования ШПС [25, 26, 28, 46, 47] реализуется с помощью дополнительной ступени модуляции, не связанной с передаваемыми сообщениями и расширяющей спектр передаваемого сигнала. При приеме дополнительный — демодулятор восстанавливает спектр исходного сигнала и одновременно расширяет спектр помех, снижая их интенсивность в полосе приема. При работе в линейном режиме системы с расширением спектра обеспечивают существенное подавление как узкополосных помех, так и широкополосных (импульсных) помех. Выигрыш обеспечивается за счет корреляционного сжатия спектра принимаемого полезного сигнала в полосе модулирующих частот [33]. Шумоподобные сигналы находят применение в системах связи, работающих на трассах с замираниями за счет многолучевого распространениясигналов [36].

В каналах цифровой связи [16, 17, 33, 30, 34, 35] требуемое качество приема достигается за счет применения корректирующих кодов [37, 38, 48]. При формировании кодовой комбинации такого кода, в нее кроме информационных символов' исходного безубыточного (натурального) кода вводится некоторое количество дополнительных, проверочных символов, вычисляемых по определенному правилу. При приеме кодовой комбинации по тому же правилу из информационных символов вновь вычисляются проверочные. Из сравнения результатов двух вычислений делается заключение о наличии либо отсутствии ошибок в процедуре приема. Способность кода к обнаружению и исправлению некоторого количества ошибок увеличивается пропорционально доле проверочных символов. Качество приема увеличивается за счет снижения скорости передачи и увеличения расходуемой энергии передатчика.

Комплект КТК и ТУ представляет из себя сложную иерархически организованную, коммуникационную систему (сеть), в которой циркулируют многочисленные потоки сообщений от различных источников информации [83]. Вопросы построения и контроля таких систем рассмотрены в [27].

Структура сети включает в себя множество закрепленных каналов (сбор телеметрических данных) и множество каналов коллективного пользования (ККП), посредством которых в соответствии с регламентом технологического процесса осуществляется связь между операторами различных уровней управления. В силу ограниченности пропускной способности каналов связи [63] в ККП вероятны очереди сообщений, что является причиной задержек сообщений в сети. Задержка сообщения возможна и при необходимости повтора сообщения. Так, в комплексе УНК-ТМ телеуправление по каналу передачи информации проходит с вероятностью ошибки Рош = 10. При такой вероятности ошибки в канале обмен информацией между ПУ и КП будет сопровождаться значительным количеством ошибок [85,86].

Комплекс УНК—ТМ способен обнаруживать ошибки и выдавать квитанции на повтор сообщения, принятого с ошибками. Но при этом теряется время, необходимое для принятия решения о выполнении необходимых работ. Особенную важность показатель времени имеет для предотвращения аварийных ситуаций на транспортных трубопроводах. Поэтому в качестве критерия эффективности целесообразно выбрать величину времени, которое необходимо для передачи от ПУ к КП блока достоверного сообщения.

При передаче сообщений средней длительностью в 80 байт при вероятности ошибок в канале связи Рош =10″ 3 практически в каждом втором передаваемом блоке возможно появление ошибочных бит.

На основе математических моделей теории массового обслуживания [88, 89] описана возможность прогнозирования длительности задержек в сетях различной конфигурации. При этом может быть учтена необходимость льготного предоставления канала для передачи приоритетных сообщений.

Проведенный обзор авторитетных источников подтверждает актуальность продолжения исследований по обсуждаемой теме.

Цели и задачи работы.

Целью работы является разработка технических решений, способствующих повышению эффективности комплексов телеуправления и контроля для обеспечения надежного и оперативного управления процессами транспортировки газа магистральными газопроводами.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ погрешностей телеизмерений при использовании цифрового канала передачи информации в условиях действия шума;

2. Разработан и исследован способ битового кодирования для цифровых каналов телеметрии и варианты его технической реализации;

3. Обоснована возможность повышения точности телеизмерений и снижения вероятности ложной тревоги в каналах телеконтроля за, счет внедрения битового кодирования в комплексах телеметрии;

4. Разработана методика прогнозирования длительности задержки команд в каналах телеуправления, необходимая для выбора рациональной структуры информационной сети в комплексе телеуправления иконтроля.

Методы исследования.

Методы статистической теории связиметоды теории массового обслуживанияметоды системного анализаметоды метрологии.

Научная новизна.

1. Разработана методика оценки погрешности передачи измерительных данных цифровыми каналами телеметрии.

2. Предложен способ битового кодирования в цифровых каналах телеметрии и телеконтроля и обоснована система сигналов для технической реализации битового кодирования.

3. Проведена оценка характеристик обнаружения в телеметрическом канале с битовым кодированием.

4. Получены аналитические выражения для оценки длительности задержки сообщений в каналах коллективного пользования комплекса телеуправления.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Исследование особенностей цифровых каналов телеметрии позволило оценить погрешность передачи измерительной информации и выявить факторы ее определяющие.

2. Для снижения погрешностей передачи данных в каналах цифровой телеметрии предложен способ битового кодирования сообщений, что-повышает надежность телеконтроля за счет существенного снижения вероятностей ложной тревоги и пропуска аварийных сигналов.

3. Результаты исследования длительностей задержек сообщений (команд) позволяют осуществить выбор архитектуры сети и регламента работы с целью повышения оперативности телеуправления и снижения вероятности пропуска аварийных сигналов.

Вклад автора.

Лично автором выполнены следующие исследования:

• исследовал механизм возникновения ошибок при передаче телеметрических данных;

• получил аналитические выражения для оценки погрешности измерений при цифровой телеметрии;

• обосновал способ битового кодирования телеметрических сигналов;

• определил вероятности пропуска сигнала и ложной тревоги в каналах цифровой телеметрии;

• оценил длительность задержек сообщений в различных сетевых структурах как при наличии приоритетов у пользователей, так и при их отсутствии.

Апробация результатов работы и публикации.

По результатам работы опубликовано три статьи в рецензируемых центральных журналах, опубликованы материалы пяти докладов в трудах конференций, получен патент РФ на полезную модель.

1. Материалы диссертации докладывались на 15-ой Всероссийской конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г.Нижний Новгород, 2005 г.), на международной конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (г.Владимир, 2007 г.), на международной конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г.Воронеж, 2008 г.) и на IX научной конференции по радиофизике (ННГУ, г. Нижний Новгород, 2005 г.).

На защиту выносится:

1. Способ битового кодирования сигналов в телеметрических каналах и система сигналов для его реализации.

2. Характеристики обнаружения телеметрического канала с битовым кодированием.

3. Математическая модель канала коллективного пользования комплекса телеуправления как источника задержек сообщений о предаварийных ситуациях.

4. Методика прогнозирования задержек сообщений в каналах комплекса телеуправления объектами магистральных газопроводов.

3.5. Выводы.

1. Обоснованвыбор математических моделей циркуляции информационных потоков в сетях передачи данных в виде линейных стохастических сетей, состоящих из совокупности систем массового обслуживания.

2. Математическими методами теории массового обслуживания получень" оценки задержки сообщений в сегментах сети различного ранга. Показано, чтс симметричная древовидная структура сети при статистической идентичност пользователей является оптимальной по критерию минимума максимально нагрузки на каналы. Это следует учитывать при проектировании сети>' на этапе выбора структуры.

3. Разработана методика оценки задержек сообщений для сети в целом Разработанная методика прогнозирования, задержек сообщений в сет! применима и для сетей несимметричной заданной структуры. Исследованс влияние на длительность задержек числа каналов между узлами сети I режимов их работы (полудуплексный или дуплексный).

4. Существенно влияние на величины задержек места подключени пользователя к сети: задержки снижаются, когда пользователь находите среди наиболее вероятных потенциальных его адресатов.' При этом резк"= снижается загрузка каналов между узлами.

5. Открытие сети (т.е. возможность выхода из нее) приводит • дополнительной нагрузке на нее в виде дополнительных, виртуальны пользователей, и, чем выше активность внешних связей, тем их больше.

Количество виртуальных пользователей можно нагрузочный эквивалент сети для данной шины. рассматривать как.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При разработке перспективных комплексов телеуправления возникает необходимость искать новые возможности в решении трех традиционных проблем: точность телеизмерений, надежность телеконтроля, оперативность телеуправления.

С учетом этих обстоятельств в данной работе исследуются возможности повышения эффективности КТУ в условиях действия помех при заданных ограничениях на скорость передачи информации, полосу занимаемых частот, количество используемых каналов и мощность сигналов, что особенно актуально при использовании эффективных каналов передачи информации.

Телеизмерения подчиняются всем правилам метрологии, в которой ключевым понятием является погрешность измерения, выраженная только в количественной мере. Поэтому при сравнении кодов, применяемых в телеметрическом канале, единственного критерия в виде малости вероятности ошибок при декодировании очевидно недостаточно.

Отмечено, что понятие эффективности кода следует уточнять при каждом его применении, учитывая особенности решаемой задачи. Это обстоятельство в настоящее время при традиционном использовании блочных кодов не учитывается, поскольку единственным показателем эффективности является вероятность ошибки декодирования. При этом вопрос о величине той или иной ошибки, о цене ошибки, т. е. об ущербе, возникающем' при ее возникновении, остается вне внимания теории корректирующих кодов.

Показано, что целесообразно построение канала передачи цифровой телеметрической информации-таким образом, чтобы в максимальной степени обеспечить защиту от помех старших по иерархии разрядов натурального кода. Отсюда следует, что некоторый вновь предлагаемый код, имеющий соизмеримую с ними вероятность ошибок и дополнительно наделенный способностью защиты от наиболее опасных ошибок и, как следствие, уменьшающий погрешность измерения, должен привлечь первостепенное внимание.

Кодирование, предлагаемое в данном исследовании, использует новый вид корректирующего блочного кода, названного битовым кодом. Каждая комбинация такого кода представляет собой структуру, составленную из кодовых комбинаций индивидуальных кодов для каждого разряда1 исходного кода. Поскольку было доказано, что наибольшую опасность представляют битовые ошибки в старших разрядах, индивидуальные коды этих разрядов необходимо наделить дополнительной информационной избыточностью.

Показано, что существует возможность целевым образом перераспределять информационную избыточность корректирующего кода для уменьшения вероятности наиболее опасных ошибок. Такая возможность особенно интересна при передаче по цифровому каналу с помехами сигналов, несущих’числовые данные, например, в радиотелеметрии.

Избыточность индивидуального кода используется для накопления энергии битовых сигнальных импульсов. Чем старше разряд, тембольшей избыточностью наделен его код, тем больше эффект накопления и тем меньше вероятность битовой ошибки при его приеме. Это и обеспечивает снижение погрешностей измерения.

Обсуждаемые в данной работе структуры битовых сигналов с расширенной базой могут успешно применяться для борьбы с сосредоточенными во времени или по занимаемой частотной полосе I помехами.

Во многих случаях результаты телеметрии используются для телеконтроля предаварийных ситуаций. Анализ, проведенный в рамках диссертации, показал, что вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала тревоги определяются прежде всего вероятностями битовых ошибок в старших разрядах исходного кода.

Предложенный способ передачи данных обеспечивает высокую достоверность работы канала при. достаточно простой технической реализации.

Проведенные теоретические исследования показали, что основной источник возникновения задержек сообщений в сети передачи данных — каналы коллективного пользования. Длительность задержек, помимо параметров информационных потоков, существенно зависит от структуры сети, пропускной способности каналов связи, а также от места подключения к сети ее пользователей. Задержки сообщений, поступающие в канал от конкретного пользователя, фактически снижают пропускную способность предоставленного ему канала. Без прогнозирования задержек представляется некорректной нормировка качественных показателей канала связи.

Математическими методами теории массового" обслуживания получены оценки задержки сообщений-в сегментах сети различного ранга. В качестве базовой выбранасимметричная древовидная структура сети, что. позволило получить общее решение для сети в целом. Показано, что такая структура при статистической идентичности пользователей является оптимальной по критерию минимума максимальной нагрузки на каналы.

Показано, что существенно влияние на величины задержек места подключения пользователя к сети: задержки снижаются, когда, пользователь находится среди наиболее вероятных потенциальных его адресатов. При этом резко снижается загрузка каналов между узлами. Идеи приоритетного обслуживания различных категорий пользователей, которые подробно исследованы в диссертации, могут найти эффективное применение как в управленческих сетях, так и в коммерческих сетях связи.