автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение технологической связи автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления

На правах рукописи

Дергачёв Валентин Валентинович

ии344514 1

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВЯЗИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05 13 06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ИЮЛ 2008

Ростов-на-Дону 2008

003445141

Работа выполнена на кафедре «Информатика» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научпые руководители: — доктор технических наук, профессор

Ульяницкий Евгений Мефодьевич

— доктор технических наук, доцент Бутакова Мария Александровна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Финаев Валерий Ивапович — кандидат технический наук, доцент Долгий Игорь Давидович

Ведущая организация: — Российский научпо-исследовательский и

проектио-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи па железнодорожном транспорте (ШШАС)

Защита состоится 24 сентября 2008 г в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 218 010 03 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу 344038, г Ростов-на-Дону, пл Ростовского Стрелкового Полка Народного ополчения, 2, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 14 июля 2008 г

Отзывы на авгореферат в двух экземплярах, подписашше и заверенные печатью, просим направлять по адресу. 344038, г Ростов-на-Дону, пл Ростовского Стрелкового Полка Народного ополчения, 2, диссертационный совет Д 218 010 03, ученому секретарю

Ученый секретарь диссертационного совета д т н, доцент

МА Бутакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. В настоящее время автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) являются одним из наиболее эффективных инструментов контроля и интенсификации производств и повышения эффективности технолотческих процессов на железнодорожном транспорте В рамках создания нового поколения высокоэффективных интм -рированных АСОДУ исключительно важными являются проблемы организации технологической связи АСОДУ, поскольку именно система технологической связи (СТС) лежит в основе итефации отдельных компонент различных АСУ в интегрированный комплекс

Разработка автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления предполагает создание методологии исследования и проектирования, формализованное описание и алгоритмизацию, разработку программного обеспечения и имитационное моделирование системы Однако реализация этих проектов для крупной информационной системы в целом - сложная задача, актуальность коюрой в настоящее время возрастает в связи с увеличением области применения средств АСОДУ

Другой актуальной проблемой является интеграция различных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) со смежными АСУ и их подсистемами с поддержкой принятия решений в реальном времени Решением эгои проблемы может являться создание универсальных интерфейсов, осуществляющих динамическую настройку АСУТП

Не менее важной задачей является разработка компьютерных тренажеров реального времени для операторов АСУТП Назначение тренажеров — формирование комплексного навыка принятия решений, системы управления на произвольные, управляющие воздействия оператора Эффективность обучения будет тем выше, чем выше сходство тренажерного комплекса и реальной системы. Для этого целесообразно использовать программное обеспечение и функциональные модули той системы управления, для которой разрабатывается тренажер, а также достаточно адекватное описание моделируемого технологического процесса

Наиболее существенные результаты в области методологии и технологии управления транспортными системами получены Барановым JIA, Буяновым В А , Грунтовым П С , Иванченко В Н, Мухой Ю А , Павловым В.Е, Ратиным Г С , Сотниковым Е А, Фонаревым Н М, Шелухиным В И, Шилейко А В и др

Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики внесли известные ученые Бочков К А, Брылеев А М, Дудниченко А М, Ефимов В Е, Кравцов Ю А, Кокурин И М, Косилов Р А, Переборов А С , Шафит Е М и др

Большой вклад в развитие теоретических положений, разработку методов и алгоритмов, создание аппаратно-программных средств автоматизации процессов устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) внесли Алексеев В М , Гуда А Н, Дмитренко И Е, Долгий И Д, Иванченко В Н, Ковалев С М, Лисенков В.М, Лябах Н Н, Сапожников В В , Сапожников Вл В ,и др

Исследования в области моделирования компьютерных сетей средствами теории массового обслуживания внесли Вишневский В.М, Клейнрок J1 В теории телекоммуникационных систем можно выделить работы Виллшщжера В , Крылова В В , Лагутина В С, Леланда В Е, Степанова С И, Такку М С

Разработанная в диссертации архитектура автоматизированной системы технологической аудио/видеосвязи может быть применена для операшвного управления с целью контроля и анализа изменений в алгоритмах управления в существующих и проектируемых подсистемах технологической связи в АСОДУ

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления железнодорожным транспортом на основе разработки новых методов организации интегрированных систем телекоммуникаций и специализированного программного обеспечения управления качеством передачи аудио/вид со данных Достижение этой цели связано с решением следующих задач

- анализ структур и процессов функционирования АСОДУ на железнодорожном транспорте, включая процессы передачи аудио/видеоданных в /Р-сетях,

- разработка оптимальной архитектуры интегрированной АСОДУ и выбор эффективных стратегий управления в ней информационными процессами, включая процессы маршрутизации и коммутации потоков данных,

- разработка специализированной АСОДУ с модульной клиент-серверной архитектурой, обеспечивающей эффективное решение задач автоматизации информационных процессов и обладающей лучшими сравнительными характеристиками;

- разработка формализованных методов оценки качества функционирования отдельных компонент АСОДУ, входящих в состав разрабатываемой системы связи, и качества управления этими компонентами,

- разработка алгоритмов и программного обеспечения, реализующих модель управления потоками данных с динамической конфигурацией на основе учета метрических показателей качества передачи данных

Объектом исследования в диссертации являются методы и алгоритмы управления информационными процессами в интегрированных АСОДУ, включая процессы обеспечения технологической связью

Методологическая основа исследования. Решение поставленных в работе задач основано на использовании методов теории систем, теории автоматического управления, теории передачи сигналов, теории информации и кодирования, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Исследование работоспособности и достоверности разработанных алгоритмов проводилось методом вычислительного эксперимента с помощью созданного комплекса программ «КОНТУР-1» на языках программирования Delphi и С (часть исходных кодов включена в приложение)

Научная новизна заключается в разработке эффективных методов управления информационными процессами в подсистемах технологической связи АСОДУ на основе создания специализированного алгоритмического и программного обеспечения и разработки имитационных моделей К наиболее существенным научным результатам работы относятся следующие.

— проведено теоретическое и экспериментальное исследование функционирования интегрированных АСУТП на железнодорожном транспорте, обеспечивающих технол01 ическую связь автоматизированного диспетчерскою управления,

— разработаны методы и алгоритмы формального описания и архитектура телекоммуникационной системы аудио/видсосвязи на основе сетей с пакетной коммутацией для АСОДУ железнодорожного транспорта;

— предложены новые методы организации технологической аудио/видсосвязи с динамической конфигурацией для АСОДУ, повышающие эффективность функционирования системы автоматизации диспетчерского управления,

— разработан универсальный интерфейс, позволяющий системе «Контур-1» взаимодействовать с системами, автоматизированной обработки речевой информации, сохранения переговоров, диспетчерской централизации ДЦ-ЮГ,

— разработаны алгоритмы управления подсистемами СТС в АСОДУ с учетом метрических показателей обеспечения качества передачи аудио/видеоданных

Практическая ценность. Полученные научные результаты вносят существенный вклад в методологию построения АСОДУ, в том числе распределенных сетей связи с интеллектуальной поддержкой управления потоками данных Результаты диссертационной работы подтверждены соответствующими актами о практическом использовании

Разработан и внедрен специализированный программно-аппаратный комплекс, моделирующий технологическую связь в системах автоматизации оперативного диспетчерского управления. Внедрение этого комплекса позволило определить «узкие места» в системах управления и предложить обоснованные рекомендации по их устранению

Разработаны и внедрены методы анализа потоков данных, позволяющие повысить эффективность и качество функционирования действующих АСОДУ Разработан комплекс программ, в котором практически реализованы методы численного расчета показателей подсистем в составе сети передачи данных, позволяющие оценить готовность сети передачи данных для передачи аудио/видеоданных

Разработан и реализован алгоритм функционирования системы технологической связи на примере железнодорожного транспорта для применения в работе поездного диспетчера, дежурного по станции, машиниста поезда, энер-годиспегчера

Разработана методика апробации разработанного программного обеспечения «Контур-1». Программное обеспечение «Контур-1» используется в учебном процессе Ростовского государственного университете путей сообщения

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на секции «Телекоммуникационные и информационные технолохии в транспортной логистике» Межведународной научно-практической конференции «ТелеКомТранс-2004, 2008» (г Сочи), на Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г Новочеркасск, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (г Новочеркасск, 2008 г), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных семинарах кафедр «Вычислительная техника и автоматизированные системы управления» и «Информатика» Ростовского государственного университета путей сообщения

Система была испытана и хорошо себя зарекомендовала при проведении совместных практических занятий студентов РГУПС (£остов-на-Дону) и Сам-ГУПС (Самара) на тренажере «Виртуальная железная дорога». Разработанная система использовалась также в ЗАО «Кавказ-ТрансТелеКом» при разработке алгоритмов организации /Р-телефонии На информационно-вычислительном центре Северо-Кавказской железной дороги комплекс «Контур-1» использовался при проектировании системы технологической видсоконференц-связи для АСОДУ

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, отражающих основные результаты диссертации, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Программное обеспечение зарегистрировано в отраслевом фонде алюритмов и программ (ОФАЛ) и в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (ГосПатент)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений, списка литературных источников Объем основного текста диссертации составляет 147 стр, приложение оформлено в виде отдельного тома на 125 crp

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы работы, приведена ее краткая характеристика, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ принципов организации АСОДУ, на основе которого выявлено, что существующие системы оперативного диспетчерского управления имеют ряд недостатков недостаточные масштабируемость и гибкость, связанные с необходимостью использования специальных каналов связи, слабая интеграция с моделями СТС различного типа, то есть СТС создается для каждою конкретного варианта реализации, и изменение алгоритма работы требует длительного времени для настройки системы. Программное исполнение систем СТС практически не применяется на железных дорогах России

Далее в исследовании под СТС будет пониматься АСУТП железнодорожного транспорта, а именно, систему управления технологической связью

Также показана роль диспетчерского управления железнодорожными перевозками Диспетчерская система является основной формой организации

оперативного, круглосуточного, централизованного управления подвижным составом Основной целью функционирования диспетчерской системы управления является эффективное использование имеющихся трудовых и технических ресурсов для максимального ускорения обработки и прохождения грузов с учетом установленных нормативов

Далее в диссертации приведены результаты анализа современных систем технологической связи в составе диспетчерской системы управления железнодорожного транспорта, а также функциональных особенностей современных аудио/видеосистем связи и определены возможные пути их совершенствования Уровень развития современных информационных технологий предоставляет возможность повышения эффективности исследуемых систем за счет автоматизации систем управления, входящих в состав корпоративных АСОДУ.

Проведенный анализ структур и функциональных возможностей систем управления на примере технологической радио- и телефонной связи показал, что современные корпоративные АСУТП имеют иерархически-компонентную организацию, в том числе сеть функциональных подсистем управления и поддерживающие ее корпоративные информациошю-вычислительные сети Ком-понентно-сис темная структура СТС представлена на рис 1

II - управление дороги,

начальник дорога

ПОД - начальник отделения

дороги

НОДМ - начальник отдела грузовой и коммерческой работы отделения дороги ЕДЦУ - единый диспетчерский центр управления

ДТП - дорожный диспетчер

ДРУ - дежурный по району

унра&пения

ТНЦ - локомотивный

диспетчер

ДНЦ - поездной участковый (узловой) диспетчер ЭЧЦ - энсргодиснсгчср дистанции электроснабжения ДСП - дежурпый по станции ДСД - составитель поездов ТЧМ - машинист

Рис 1 Структура СТС на железнодорожном транспорте

Проектирование и внедрение новых СТС в АСОДУ требуют использование и развитие математического аппарата теории моделирования компьютер-

Станционная (телефонная связь) ( КВ/УКВ связь (Радио связь) |

Мсэкстанционная (телефонная связь) |

ных систем связи Наиболее адекватными методами формального описания таких систем являются методы теории сетей массового обслуживания В последнем разделе главы исследуется теоретическая база проектирования и моделирования телекоммуникационных сетей для автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления

Вторая глава содержит анализ особенностей передачи аудио/видеодашшх реального времени в IP-сетях с точки зрения влияния времени задержки и качества сигнала

На основе изученных проблем, возникающих при передаче аудио/видеоинформации в ЛВС и ГВС, определено, что необходимо использовать технологию многоадресной рассылки пакетов и фреймов, при этом потребуется наименьшая пропускная способность и загруженность сетевых устройств, обеспечивающих доставку аудио/видеоинформации

При передаче пакетов данных аудио/видеоинформации можно выделить две основные проблемы первая состоит в том, что канал связи, по которому передается информация, должен быть достаточно скоростным, то есть обладать высокой пропускной способностью, вторая проблема - скорость и качество обработки аудио/видеопотока, то есть кодирования передаваемых и декодирования получаемых данных

При передаче аудио/видеоданных используются специальные и ресурсоёмкие алгоритмы сжатия аудио/видсопотока Можно сказать, что передаются не сами аудио/видеосигналы, а только их важнейшие параметры, которые позволяют восстанавливать сигнал на приемном конце с приемлемым качеством Поскольку человек как «получатель» информации является ключевым элементом любой телекоммуникационной системы, оценка качества сигнала является важной задачей, которую необходимо решить на этапе проектирования системы управления технологической связью Для оценки качества сигнала применяют метод сравнения по метрикам Под метрикой понимается отношение сигнала к шуму Часто на практике используют метрику PSNR (pcak-to-peak signal-to-noise ratio), которая вычисляется по формуле

где х, у — координаты пикселей изображений, п,т- размеры по горизонтали и вертикали Это пиковое отношение сигнал-шум PSNR — метрика для сравнения двух изображений чем больше попиксельная разница между двумя изображениями, тем меньше для них значение PSNR Для сравнения видеоряда в качестве метрики берется среднее значение PSNR соответствующих кадров по всей последовательности Наряду с метрикой PSNR используется метрика SSIM (Structural SIMilarity I метрика структурного сходства), которая вычисляется по более сложным алгоритмам, но обоснованно считается более точно учитывающей особенности восприятия человека Значение данной метрики основывается на

2552 п т

(1)

1 " ^

2

— несмещенные оценки контрастности сигнала,

замере трех компонент (сходности по яркости, контрасту и структуре) и объединения их значений в итох овый результат

(2ц ц +С,)(2ст +С2)

где х и у - два непустых изображения одинаковой размерности,

1

1 "

Ц, = — - яркость для каждого сравниваемого сигнала,

коэффициенты С, и С2 введены для обеспечения стабильности Очевидно, что метрика (2) является более информативной, и именно она была использована далее при разработке системы «Контур-1»

Хотя качество сигнала по большей части напрямую связано со скоростью битового потока, более сложные алгоритмы способны достичь более высоких отношений качества к скорости битового потока Очевидно, что чем сложнее алгоритм кодирования, тем сложнее его реализовать Сложность связана с вычислениями, необходимыми для воспроизведения процессов кодирования и декодирования сигналов в реальном времени. С увеличением сложности алгоритма кодирования увеличиваются и временные задержки (включающие время обработки и буферизации) в кодере и декодере

В системах автоматизированного оперативного диспетчерского управления важным фактором является интеграция со смежными системами автоматизированного управления Одной из важных задач является сохранение переговоров Также предложена методика идентификации диктора и разделения голосовых потоков путем маркирования пакетов

При получении входного сигнала с микрофона он обрабатывается АЦП, после чего сегментируется на блоки размером 500 - 1500 байт Поскольку можно однозначно утверждать, что одному диктору соответствует один источник сигнала, в блок добавляется тег, который содержит уникальный идентификатор говорящего, полученный от сервера Соответственно сервер рассылает всем участникам переговоров таблицу соответствия для идентификации диктора

Таким образом, каждый из участников переговоров может индивидуально выключить или включить определенного диктора, либо это может происходить автоматически, исходя из анализа получаемых данных от внешних источников Также, поскольку каждая порция передаваемых данных содержит идентификатор диктора, можно сохранять переговоры диктора в отдельном файле

Подсистема сохранения переговоров предназначена для записи и архивации переговоров или любых речевых сообщений в формате МРЗ с каналов телефонной связи, радиосвязи, устройств снятия речевой информации или микрофона, с последующим воспроизведением в любое удобное время

Также была разработана программная система сохранения переговоров, которая, хотя является псевдомногоканальной, имеет возможность автоматиче-

ской приостановки записи в длительных переговорах в момент пауз и автоматического включения при появлении сигнала

Использование универсального интерфейса позволяет осуществлять интеграцию системы «Контур-1» с системой диспетчерской централизации ДЦ-ЮГ для получения поездной обстановки в режиме реального времени ДЦ-ЮГ - это самостоятельный программно-аппаратный комплекс, схема взаимодействия с которым представлена рис 2

Рис 2 Схема взаимодейсгвия системы «Контур-1» с ДЦ-ЮГ с РКП

Третья глава посвящена разработке методологии проектирования автоматизированной системы управления оперативной технологической связью Сформулированы технические требования, предъявляемые к создаваемой системе управления СТС Разработана архитектура создаваемого комплекса «Кон-тур-1» Определен необходимый комплекс мер по настройке/Р-сети для функционирования комплекса с заявленными характеристиками

Разработаны математические модели, позволяющие оцепить вероятностные характеристики основных устройств телекоммуникационной сети - активного телекоммуникационного оборудования, телекоммуникационных каналов, а также вероятность возникновения очереди при обработке аудио/видеоинформационных потоков и определения среднего времени задержки доставки пакетов Разработана математическая модель, позволяющая оценить вероятность возникновения очереди при обработке аудио/видеоинформационных потоков и определения среднего времени задержки доставки пакетов В качестве математического аппарата описания функционирования телекоммуникационного оборудования и каналов была выбрана теория сетей массового обслуживания

В частности, модель телекоммуникационного канала (ТК) как системы массового обслуживания (СМО) может быть представлена в следующем виде Обслуживающими устройствами в ТК являются как физически существующие кабели (оптоволоконные, проводные), так и логически образуемые сеансы соединений между источниками и приемниками данных Когда число запросов на установление сеансов связи превышает количество возможных логически устанавливаемых сеансов связи между клиентами и серверами или пропускную способность сервера, очередь образуется на устройствах телекоммуникаций

10

(мостах, коммутаторах, маршрутизаторах) или на самом приемнике данных (вычислительной системе) Заявками на рассматриваемом уровне организации сети с пакетной коммутацией данных (СПКД) будем считать фреймы (кадры сети Ethernet), которые инкаисулиругснся на сетевом уровне в IP -пакеты

При наличии в рассматриваемом ТК г обслуживающих устройств получим следующие выражения

Вероятность нахождения в ТК " фреймов определяется формулой

[ОрУ

р.=

■Ри, п = г,г+\, ,00, v

где Р ~ -1 - коэффициент загрузки ТК для многоканальной системы,

^ - интенсивность входного потока (количество фреймов, поступивших в единицу времени на пор! сетевою обслуживающшо устройства), ^ - интенсивноегь обслуживания Вероятность того, чго поступившие фреймы попадут в очередь

Р =Р

1 п I 1 п

ы

о^ '¿у Среднее число фреймов в очереди —|_"р

Среднее число фреймов, находящихся в состоянии передачи М,бс = ? р Среднее число фреймов в логических каналах ТК Ыс = Моч + N обе Среднее врс-

Р Рт

-

мя отклика ТК tc ~

И

1 + -

■(»-Р)

Среднее время ожидания фрейма в очереди

#ц(1-р)

Применяемые в рассматриваемой СПКД маршрутизаторы фирмы Cisco, представляют собой устройства с выходной буферизацией На рис 3 представлена СМО для маршрутизатора

о-о —'

о-о —

a(t), 1

--—ho-*Ши-

jU FCFS

q(t)

N

d(t)

Рис 3 Представление маршрутизирующего устройства в виде СМО

11

Примем следующие допущения и обозначения Входной поток состоит их независимых, одинаково распределенных случайных величин (количество пакетов, которые могут прийти на каждый из N входных портов устройств) Для любого момента времени вероятность прибытия на t -й входной порт будет Рт, г = 1 N Каждый из поступивших пакетов имеет одинаковую вероятность 1 IN быть переданным на некоторый выходной J -й порт, у = 1 N Таким образом, вероятность того, что пакет с порта i будет направлен на порт J равна р = / N При одновременном поступлении к пакетов только один из них будет сразу же направлен в выходной порт, а оставшиеся к — \ пакетов будут помещены в очередь соответствующего выходного порта с дисциплиной обслуживания FCFS, и поэтому коэффициент загрузки выходных портов такой же, как и у входных портов, и СМО находится в устойчивом состоянии В связи с этим имеем процесс восстановления, в котором длина очереди определяется следующим рекурреитным уравнением

=?,-<*.+«,, (3)

где q, это длина очереди на момент времени t (напомним, что она находится на выходе устройства),

d, - количество пакетов, убывших го очереди, а, - количество пакетов, поступивших в маршрутизатор Учитывая, что в момент времени t один пакет из очереди убывает d, = 1{?г>0}, уравнение принимает вид <7/+i =Ч,~ + at, исходя из которого далее в диссертации решается задача определения вероятности нахождения в очереди к пакетов и времени обслуживания устройством

Если принять распределение ö< ~ Binomial (Nг рш / N^ биномиальным, исходя из предпосылки бернуллиевского процесса, то вероятность нахождения

в очереди « пакетов

Для решения уравнения (3) был использован аппарат производящих функций распределений и подход JI Клейнрока Ключевым предположением для описания СМО для пакетных компьютерных сетей передачи данных является предположение о независимости, введенное в работах J1 Клейнрока, которые будем считать классическим подходом моделирования компьютерной сети с пакетной передачей данных Далее на основе анализа статистических данных о поступлении пакетов на маршрутизатор исследуемой системы были получены вероятностные характеристики для расчета длины очереди и времени обслуживания Так, время пребывания в системе (средняя задержка обслуживания на

г 9(1~Р) устройстве Cisco 2651Хм) 1 с ~

В диссертации приведены примеры программных расчетов показателей функционирования маршрутизаторов и TIC, которые реализуют разработанные алгоритмы анализа рассматриваемых систем массового обслуживания Программные вычисления времени задержки на маршрутизаторах и в ТК показали,

12

что оборудование и каналы связи, использованные при апробации системы «Контур-1» удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам реального времени Подпрограммы анализа характеристик маршрутизаторов и телекоммуникационных каналов были встроены в разрабатываемую систему «Koirryp-1» виде функциональных блоков уровня специалиста предметной области

На основе проведенных расчетов были определены протоколы маршрутизации групповых потоков данных на канальном и сетевом уровнях

Четвертая глава посвящена описанию созданного программного комплекса «Контур-1» Структура программного комплекса приведена на рис 4 В задачи системы, помимо указанных на рис 4, входит протоколирование переговоров и реализация естественных ограничений (ограничение дальности радиосвязи, количества каналов связи и т д ) при работе системы в режиме имитационного моделирования К основным особенностям комплекса можно отнести следующие

1 Ориентация на работу в сети Система обеспечивает работу в режиме «клиент-сервер» в рамках существующих ЛВС и через сеть Internet

2 Гибкость настройки, которая подразумевает возможность настройки системы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конкретному поль-зовагслю Здесь можно выделить три аспекта

- изменение режимов и параметров функционирования программного обеспечения (реализовано протоколом динамической конфигурации, или модификации конфигурационных файлов),

- организация внешнего управления процессом связи (достигается путем внесения изменений в алгоритм работы СТС с использованием протокола динамической конфигурации Для изменения доступны все параметры и характеристики СТС Изменения возможны непосредственно при работе системы без дополнительных подготовительных работ);

3 Модульность — это возможность расширения системы с использованием любых дополнительных модулей, организующих алгоритм функционирования связи При необходимости имеется возможность разработки дополнительного модуля Модуль может быть присоединен в систему для работы совместно с существующим модулем или его заменой

4 Распределенность системы имеет два основных уровня вспомогательное программное обеспечение, которое выполняет отдельные внутренние функции СТС, и модуль управления Для обмена данными по сети Internet не требуется дополнительное программное обеспечение

Для настройки системы используется специальная программа, которая по выбору администратора системы выполняет вызов процедур, определённых им ранее Это необходимо для инициализации параметров и алгоритма функционирования СТС, требуемой модели связи

Синтаксис использования команд динамического протокола приведен в диссертации.

Укрупненный алгоритм работы системы «Контур-1» приведен на рис 5

TS_Server DSP_cl_pi

серверы моделирующие поездную ситуацию

—нттр-»|

Модель Модель Модель

свози связи • • ■ связи

ДСП ДНЦ ДНЦ

W-HTTP-

Заданис гшегшапгай ситуации

ОГЧЙШ о состоянии системы

HTTP

Програыыфмшш* обстановки

DSP_serv_pj

I Programing_DSP

Рис. 4 - Структура распределенного программного комплекса

Система технологической связи характеризуется небольшой длиной пакетов (системных сообщений) и, соответственно, малым временем, которое требуется на их обработку — этому уделяется большое значение, гак как система работает в режиме реального времени Пакеты, которыми обмениваются сервер и вспомогательное программное обеспечение, можно разделить на два типа простые и сложные Простые пакеты имеюг фиксированную длину, а сложные переменную Простые пакеты используются для отслеживания работоспособности системы, а также для индикации статуса запроса между модулями системы Сложные-пакеты используются для настройки системы.

/начало инициализации

стс

1

Запуск сервера видео конференции

Создание и настройка конференции

Запуск терминала упрашгашя СТС

Запуск клиента тренажера

-нет-^

Создание начальной конфигурации СТС да а

Загрузка правил на клиентские копьютсры

Установка драйвера

Конец инициализации СТС

Рис 5 — Укрупненный алгоритм функционирования системы «Контур-1»

15

Подсистема контроля и управления пользователями (ПКУП) осуществляет управление и контроль систем, расположенных на компьютерах конечных пользователей ПКУП выполняет запросы о состоянии драйвера СТС, службы взаимодействия с сервером и драйвером сети Эта подсистема имеет визуальный интерфейс и позволяет задавать новые или изменять существующие правила на удаленном компьютере и иметь целостное представление о состоянии систем на удаленных ПК

Алгоритм работы подсистемы имитации функционирования диспетчерской поездной связи приведен на рис 6 Данная подсистема предоставляет диспетчеру возможность вызывать каждую станцию в отдельности, группу станций (групповой вызов) или все станции одновременно (циркулярный вызов)

При написании комплекса программ использовались средства разработки Microsoft Visual Studio и Borland Delphi 7 с использованием языков объектного программирования С++, Pascal

Рис 6 Алгоритм работы модуля ДСП и ДНЦ

В пятой главе показано применение разработанных методов в учебно-исследовательском лабораторном комплексе «Виртуальная железная дорога» (ВВД)

Для экспериментального подтверждения полученных результатов программного обеспечения (ПО) «Контур-1» были выбраны три железнодорожных вуза Ростовский, Самарский и Сибирский государственные университеты путей сообщения Апробация состояла из следующих этапов

1.Создание специализированных настроечных файлов

2 Установка ПО на рабочие станции

3 Настройка параметров ЛВС вузов

4 Настройка взаимодействия с АСОДУ ВЖД

5 Тестирование и контроль навыков

В результате испытания было установлено, что потеря пакетов аудио/видеоданных составила менее 0,1 %, потеря пакетов управляющей информации не зафиксирована, задержка передачи голосовых сообщений в пределах ЛВС не превышает 50 мс, при взаимодействии между вузами задержка не превышает 80 мс

Также установлено, что разработанное программное обеспечение при работе системы загружает процессор Intel Pentium с частотой 433 МГц на 48 % ; система стабильно работает совместно с сервисами, уже существующими в сети, и не создает помех для их работы.

На разработки, выполненные по результатам диссертации, получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, выданные Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ), а так же Отраслевым фондом алгоритмов и программ (ОФАП) Федерального агентства по образования РФ.

В заключении приведены основные результаты исследования

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы связаны с развитием методов управления качеством передачи аудио/видеоинформации в автоматизированных системах оперативного диспетчерского управления и их функциональных компонентов (в том числе вычислительных систем) В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты

1 Проведен анализ структуры АСОДУ и функционирования её компонентов с целью определения путей повышения эффективности системы оперативно-диспетчерского управления на основе разработки более совершенных методов организации

2 Разработана архитектура и расширена функциональность распределенного комплекса аудио/видеосвязи с использованием разработанного протокола динамической конфигурации

3 На основе анализа проблем и принципов передачи аудио/видеоданных в /Р-сетях разработаны методики расчетов вероятностных характери-

стик СПД для анализа и определения готовности каналов связи к использованию разработанного прохраммного обеспечения «Контур-1»

4 Разработан универсальный интерфейс для интеграции со смежными системами АСОДУ, в том числе системами сохранения переговоров и системой диспетчерской централизации ДЦ-ЮГ

5 Разрабогана методика автоматизированной обработки аудио/видеопотока, позволяющая определить диктора в общем голосовом потоке путем маркирования данных

6 Выбраны алгоритмы сжатия с оптимальным соотношением между степенью сжатия и качеством передаваемой аудио/видеоинформации на основании метрик PSNR и SSIM

1 На основе предложенных алгоритмов и методик разработано программное обеспечение «Контур-1» для управления процессами передата аудио/видеоданных в АСОДУ

8 На примере АСУ ВЖД разработаны алгоритмы системы технологической связи для применения в работе поездного диспетчера, дежурного по станции, машиниста поезда и энергодиспетчера

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в периодических издшшях, рекомендованных ВАК РФ для изложения результатов кандидатских диссертаций.

1 Дергачев В В Комплекс технологической аудио/видеосвязи // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2008 - № 1 -С 26-29

2 Дергачев В В Разработка программно-аппаратного комплекса, моделирующего оперативную технологическую связь в распределенных телекоммуникационных системах II Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов -Курск, 2008-№ 2 -С 171-173

3 Сухорукова Н Н, Дергачев В В, Гречук И А Современные технологии подготовки кадров // Автоматика, связь, информатика, 2008 - №1 - С 35-40

В других изданиях

4 Дергачев В В Разработка автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления технологической связью для тренажерных комплексов // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах Материалы VIII Междунар науч -практ конф — Новочеркасск ЮРГТУ(НПИ).-2007 -С 96-101.

5 Бутакова М А, Дергачев В В Модели процессов обработки информации в устройствах и каналах телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы VIII Междунар науч -практ. конф . — Новочеркасск- ЮРГТУ(НПИ) -2008 -С 25-33

6 Дергачев В В Разработка тренажера аудио/видеосвязи для повышения квалификации оперативного персонала служб, связанных с движением поездов // Тез докл VI Междунар науч -практ конф «ТелеКомТранс-2008» — Ростов н/Д РГУПС - 2008 - С 56-57

7 Сухорукова Н Н, Дергачев В В Программный комплекс для организации технологической связи // Сб докл II Междунар. науч -практ конф «ТслсКомТранс-2004». — Ростов н/Д РГУПС -2004 -С 495-497

8 Дергачев В В Программный комплекс для организации технологической связи / Отраслевой фонд алгоритмов и программ Госкоорцснтра инфор-мац технологий Министерства образования РФ №гос регистрации 5838 -М ВНТИЦ, 2006.

9 Дергачев В В Интегрированная подсистема комплексной технологической аудио/видеосвязи АСОДУ ВЖД / Отраслевой фонд алгоритмов и программ Госкоорцентра информац технологий Министерства образования РФ №9166 гос. решетрации 50200702183 -М ВНТИЦ, 2007

10 Дергачев В В Инициализация и мониторинг подсистем в системе технологической аудио/видеосвязи АСОДУ ВЖД / Отраслевой фонд алгоритмов и программ Госкоорцентра информац технологий Министерства образования РФ №9204 гос регистрации 50200702221.-М ВНТИЦ, 2007

11. Дергачев В В Сухорукова Н Н Чупий Д Н Система технологической видеоконференцсвязи ЛК «Виргуальная железная дорога» / Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2006611786 от 25 05.2006

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве

/3/ — система видеоконференцсвязи, /5/ — математические модели активного телекоммуникационного оборудования и телекоммуникационных каналов; /7, 11/ — алгоритмы и программное обеспечение

?

Дергачев Валентин Валентинович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВЯЗИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1 Тираж 100 Заказ № ¿(000.

Ростовский государственный университет путей сообщения Ризография РГУПС

Адрес университета 344038, Ростов н/Д, пл Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В ДИСПЕТЧЕРСКОМ УПРАВЛЕНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТОМ.

1.1 роль диспетчерского управления перевозками.

1.2 Организация технологической связи на примере железнодорожного транспорта.

1.3 Анализ систем технологической видеоконференцсвязи.

1.4 Теоретическая база проектирования телекоммуникационных сетей для автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления.

Выводы.

2 РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕРЕДАЧИ АУДИО/ВИДЕО ИНФОРМАЦИИ.

2.1 Принципы передачи пакетов данных систем связи в/Р-сетях.

2.2 Особенности передачи аудио/видео информации в сетях с пакетной коммутацией данных.

2.2.1 Обеспечение требуемой пропускной способности.

2.2.2 Обеспечение скорости и качества обработки аудио- и видео потока.

2.2.3 Метрики оценки качества передачи аудио/видео информагщи.

2.3 Алгоритмы компрессии аудио/видео данных.

2.3.1 Алгоритмы компрессии видеоданных.

2.3.2 Алгоритмы компрессии звука.

2.4 Обеспечение совместимости и интеграции системы «Контур-1» . 56 2.4.1 Интеграция системы «Контур-1» с подсистемой автоматизированной обработки речевой информации.

2.4.2 Интеграция системы «Контур-1» и подсистемы сохранения переговоров.

2.4.3 Интеграция системы «Контур-1» и диспетчерской централизации «ДЦ-ЮГ» с распределенными контролируемыми пунктами.

Выводы.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.

3.1 Формализованные методы анализа модульных структур систем передачи информации в автоматизированных системах управления

3.1.1 Алгоритмы моделирования работы активного телекоммуникационного оборудования.

3.1.2 Алгоритмы расчета вероятностных характеристик телекоммуникационного канала.

3.1.3 Расчёт средней длины очереди.

3.2 особенности организации управления процессом передачи аудио/видео данных в системе «контур-1».

3.3 Разработка архитектуры системы «Контур-1».

3.4 Выбор методов автоматизированного управления качеством процесса передачи данных.

3.4.1 Применение мультикаст-протокола с метрикой вектора расстояния.

3.4.2 Применение расширенного протокола поиска кратчайшего маршрута.

3.4.3 Протокол независимой мулътикастовой маршрутизации.

3.4.3 Протокол распределения трафика на канальном уровне.

Выводы.

4 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА, МОДЕЛИРУЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ СВЯЗЬ.

4.1 Описание разработанного программного комплекса.

4.2 Протокол обмена данными с динамической конфигурацией.

4.3 Компоненты системы технологической связи.

4.3.1 Подсистема контроля и управления пользователями.

4.3.2 Разработка драйвера системы технологической связи.

4.3.3 Служба взаимодействия с сервером.

4.3.4 Алгоритм работы подсистемы, моделирующей систему связи.

4.4.4 Подсистема установки соединения.

4.4.5 Подсистема программирования начального состояния.

Выводы.

5 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ В УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ЛАБОРАТОРНОМ КОМПЛЕКСЕ «ВИРТУАЛЬНАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА».

5.1 Специфические требования к тренажерам в составе комплекса

5.2 Определение составных частей тренажерного комплекса.

5.3 Программно-аппаратные тренажеры машиниста локомотива.

5.4 Программно-аппаратные тренажеры дежурного по станции.

5.5 Информационные системы и модули автоматизированного рабочего места поездного диспетчера.

5.6 подсистема автоматизированного рабочего места диспетчера дистанции пути.

Выводы.

Актуальность исследования. В настоящее время автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) являются одним из наиболее эффективных инструментов контроля и интенсификации производства, обнаружения и устранения «узких мест» производственной цепочки, минимизации негативного влияния человеческого фактора при подготовке и принятии управленческих решений. Диспетчерское управление находит свое применение не только на железнодорожном транспорте, но и в авиационной, атомной и других отраслях.

Современные тенденции развития диспетчерского управления свидетельствуют о росте использования высокоскоростной передачи цифровой информации, видео- и аудио- связи. Использование современных технологий /Р-телефонии в системах телекоммуникаций позволит повысить эффективность управления железнодорожных перевозок, за счет сокращения времени прохождения поездов, и одновременно повысит безопасность движения.

Разработка автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления предполагает создание методологии исследования и проектирования такой системы, формализованное описание и алгоритмизацию, разработку программного обеспечения и имитационное моделирование системы. Однако реализация этих этапов для крупного промышленного предприятия в целом - сложная задача, актуальность которой в настоящее время возрастает в связи с увеличением области применения средств АСОДУ.

Другой актуальной проблемой является интеграция различных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) со смежными АСУ и их подсистемами с поддержкой принятия решений в реальном времени. Решением этой проблемы может являться создание универсальных интерфейсов, осуществляющих динамическую настройку АСУ ТП.

Не менее важной задачей является разработка компьютерных тренажеров реального времени для операторов АСУ ТП. Назначение тренажеров -формирование комплексного навыка принятия решений, системы управления на произвольные, управляющие воздействия оператора. Эффективность обучения будет тем выше, чем выше сходство тренажерного комплекса и реальной системы. Для этого целесообразно использовать программное обеспечение и функциональные модули той системы управления, для которой разрабатывается тренажер, а также достаточно адекватное описание моделируемого технологического процесса.

Наиболее существенные результаты в области методологии и технологии управления транспортными системами получены Барановым Л.А., Буя-новым В.А., Грунтовым П.С., Иванченко В.Н., Мухой Ю.А., Павловым В.Е., Ратиным Г.С., Сотниковым Е.А., Фонаревым Н.М., Шелухиным В.И., Ши-лейко A.B. и др.

Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики внесли известные ученые: Бочков К.А., Бры-леев A.M., Ефимов В.Е., Кравцов Ю.А., Кокурин И.М., Косилов P.A., Переборов A.C., Дудниченко A.M., Шафит Е.М. и др.

Большой вклад в развитие теоретических положений, разработку методов и алгоритмов, создание аппаратно-программных средств автоматизации процессов устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) внесли В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, И.Е. Дмитренко, В.М. Алексеев, В.М. Лисенков, В.Н. Иванченко, А.Н. Гуда, С.М. Ковалев, H.H. Лябах, И.Д. Долгий и др.

Исследования в области моделирования компьютерных сетей средствами теории массового обслуживания внесли Л. Клейнрок, В.М. Вишневский. В теории телекоммуникационных систем можно выделить работы В.Е. Леланда, М.С. Такку, В. Виллинджера, В.В. Крылова, B.C. Лагутина, С.И. Степанова.

Разработанная в диссертации архитектура автоматизированной системы технологической аудио/видео связи может быть применена для оперативного управления с целью контроля и анализа изменений в алгоритмах управления в существующих и проектируемых подсистемах технологической связи в АСОДУ.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления железнодорожным транспортом на основе разработки новых методов организации интегрированных систем телекоммуникаций и специализированного программного обеспечения управления качеством передачи аудио/видео данных. Достижение этой цели связано с решением следующих задач:

- анализ структуры и процесса функционирования диспетчерского управления на железнодорожном транспорте;

- анализ проблем передачи аудио/видео данных в IP-сетях;

- разработка комплекса параметров и ограничений, предъявляемых к системе технологической аудио/видео связи с динамической конфигурацией;

- разработка архитектуры системы на основе анализа существующих систем, выбора эффективных методов для решения задачи управления маршрутизацией и коммутацией потоков данных с использованием нового протокола;

- проектирование специализированной АСОДУ с модульной клиент-серверной архитектурой;

- разработка формализованных методов расчета показателей качества функционирования основного оборудования, входящего в состав разрабатываемой системы связи;

- разработка алгоритмов и открытого программного обеспечения, реализующих модель управления потоками данных с динамической конфигурацией на основе учета метрических показателей качества передачи данных.

Объектом исследования в работе является автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления технологическими процессами и связью на железнодорожном транспорте.

Методологическая основа исследования. Решение поставленных в работе задач основано на использовании методов теории систем, теории автоматического управления, теории передачи сигналов, теории информации и кодирования, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Исследование работоспособности и достоверности разработанных алгоритмов проводилось методом вычислительного эксперимента с помощью созданного комплекса программ «КОНТУР-1» на языках программирования Delphi и С (часть исходных кодов включена в приложение).

Научная новизна заключается в разработке эффективных методов управления телекоммуникационными системами в АСУ ТП на основе создания специализированного алгоритмического и программного обеспечения, работающего в режиме реального времени с учетом специфики железнодорожного транспорта. К наиболее существенным научным результатам работы относятся следующие: проведено теоретическое и экспериментальное исследование функционирования интегрированных систем управления железнодорожным транспортом, обеспечивающих технологическую связь автоматизированного диспетчерского управления, выявлены их особенности; разработаны методы и алгоритмы формального описания и архитектура телекоммуникационной системы аудио/видео связи на основе сетей с пакетной коммутацией для АСОДУ железнодорожного транспорта; предложены новые методы организации технологической аудио/видео связи с динамической конфигурацией для АСОДУ, повышающие эффективность функционирования системы автоматизации диспетчерского управления; разработан универсальный интерфейс, позволяющий системе «Контур-1» взаимодействовать системами: автоматизированной обработки речевой информации, сохранения переговоров, диспетчерской централизации ДЦ-ЮГ; разработана структура и программное обеспечение модульной подсистемы, входящей в состав АСОДУ с учетом метрических показателей обеспечения и управления качеством передачи аудио/видео данных; разработаны алгоритмы и специализированное программное обеспечения АСОДУ; впервые разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий оперативную технологическую связь в распределенных телекоммуникационных системах с динамической конфигурацией и интерфейсами интеграции с подсистемами связи железнодорожного транспорта.

Практическая ценность

Полученные научные результаты вносят существенный вклад в методологию построения АСОДУ, в том числе распределенных сетей связи с интеллектуальной поддержкой управления потоками данных. Результаты диссертационной работы подтверждены соответствующими актами о практическом использовании.

Разработан и внедрен программно-аппаратный комплекс, моделирующий технологическую связь в системах автоматизации оперативного диспетчерского управления. Внедрение этого комплекса позволило определить «узкие места» в системах управления и предложить обоснованные рекомендации по их устранению.

Разработаны и внедрены методы анализа потоков данных, позволяющие повысить эффективность и качество функционирования действующих АСОДУ.

Разработан комплекс программ, в котором практически реализованы методы численного расчета показателей подсистем в составе сети передачи данных, позволяющие оценить готовность сети передачи данных для передачи аудио/видео данных

Разработан и реализован алгоритм функционирования системы технологической связи на примере железнодорожного транспорта для применения в работе поездного диспетчера, дежурного по станции, машиниста поезда, энергодиспетчера.

Разработана методика апробации разработанного программного обеспечения «Контур-1». Программное обеспечение «Контур-1» используется в учебном процессе Ростовского государственного университете путей сообщения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на секции «Телекоммуникационные и информационные технологии в транспортной логистике» Межведомственной научно-практической конференции «ТелеКомТранс», г. Сочи, 2004 г., на Международной научно-практической конференции «ТелеКомТранс», г. Сочи, 2007 г., на Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск, 2007 г., Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск, 2008 г., на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных семинарах кафедр «Вычислительная техника и автоматизированные системы управления» и «Информатика» Ростовского государственного университета путей сообщения.

Система была испытана и хорошо себя зарекомендовала при проведении совместных практических занятий студентов РГУПС (Ростов-на-Дону) и СамГУПС (Самара) на тренажере «Виртуальная железная дорога». Разработанная система использовалась также в ЗАО «Кавказ-ТрансТелеКом» при 9 разработке алгоритмов организации /Р-телефонии. На информационно-вычислительном центре Северо-Кавказской железной дороги комплекс «Контур-1» использовался при проектировании системы технологической видеоконференцсвязи для АСОДУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, отражающие основные результаты диссертации, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК. Программное обеспечение зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП) и в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (ГосПатент).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений, списка литературных источников. Объем основного текста диссертации составляет 147 стр., приложение оформлено в виде отдельного тома на 125 стр.

Основные результаты работы связаны с развитием методов управления качеством передачи аудио/видео информации в автоматизированных системах оперативного диспетчерского управления и их функциональных компонентов (в том числе вычислительных систем). В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты.

1. Проведен анализ структуры АСОДУ и функционирования её компонентов с целью определения путей повышения эффективности системы оперативно-диспетчерского управления на основе разработки более совершенных методов организации.

2. Разработана архитектура и расширена функциональность распределенного комплекса аудио/видео связи с использованием разработанного протокола динамической конфигурации.

3. На основе анализа проблем и принципов передачи аудио/видео данных в /Р-сетях разработаны методики расчетов вероятностных характеристик СПД для анализа и определения готовности каналов связи к использованию разработанного программного обеспечения «Контур-1».

4. Разработан универсальный интерфейс для интеграции со смежными системами АСОДУ, в том числе системами сохранения переговоров и системой диспетчерской централизации ДЦ-ЮГ.

5. Разработана методика автоматизированной обработки аудио/видео потока, позволяющая определить диктора в общем голосовом потоке путем маркирования данных.

6. Выбраны алгоритмы сжатия с оптимальным соотношением между степенью сжатия и качеством передаваемой аудио/видео информации на основании метрик РБТУЯ и ББШ.

7. На основе предложенных алгоритмов и методик разработано программное обеспечение «Контур-1» для управления процессами передачи аудио/видео данных в АСОДУ.

8. На примере АСУ ВЖД разработаны алгоритмы системы технологической связи для применения в работе поездного диспетчера, дежурного по станции, машиниста поезда и энергодиспетчера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Айсмонтас Б.Б. Психологическая наука и образование, №4, 2004г., С. 51-59.

2. Алиев Р.Т., Король В.В. Анализ эффективности передачи трафика реального времени в сети Fast Ethernet // Современные технологии: Сборник научных статей / Под. ред. С.А. Козлова и В.О. Никифорова. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. С. 166 - 173.

3. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. 616 с.

4. Борисов Д.П., Казаков A.A., Устинский A.A., Кормилицын А .Я.

5. Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте, —М., «Транспорт», 1973 г. С. 192.

6. Бутакова М.А., Дергачев В.В. Расчет вероятностных характеристик телекоммуникационного канала в сетях с пакетной коммутацией данных Труды РГУПС, -Ростов-н/Д, РГУПС, № 1, 2008. С. 133 136.

7. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей — М.: Техносфера, 2003.

8. Вишневский В.М., Талалай А.И. Об одном методе топологического проектирования сети связи ЭВМ // Теория и техника автоматизированных систем массового обслуживания. М., МДНТН, 1982. С. 77 - 81.

9. Вишневский В.М., Талалай А.И. Автоматизация проектирования сетей связи ЭВМ автоматизированных систем массового обслуживания // Автоматизированные системы массового обслуживания / Ин-т проблем управления. -М., 1984. С. 14-21.

10. Ворсано Д. Кодирование речи в цифровой телефонии, журнал «Сети и системы связи». Изд. -М.: Сети и системы связи, №1, 1996.

11. Гавзов Д.В., Дрейман O.K., Кононов В.А., Никитин А.Б. Системы диспетчерской централизации. М.: «Маршрут», 2002.

12. Галушкин А.И. и др. Нейрокомпьютеры в биометрических системах. М.: Радиотехника, 2007. 192 с.

13. Галяшина Е. Речь под микроскопом // журнал «Компьютера», 1999г.

14. Головин С., Попов Б. Видеоконференции высокой четкости // «Журнал сетевых решений/LAN». — М.: «Открытые системы» №12, 2006, http://www.osp.ru/lan/2006/12/3811825/p2.html

15. Гольдштейн Б.С., Пинчук A.B., Суховицкий АЛ., «IP-телефония» -М.: Радио и Связь, 2001.

16. Гоманков Ф.С., Шубко В.Г. «Пути повышения эффективности железнодорожного транспорта», 1974.

17. ГОСТ 26387-84, Система «Человек-машина». Термины и определения (530 Отдел стандартизации и сертификации информационных технологий, продукции электротехники и приборостроения).

18. Давыдов A.B., Мальцев A.A. Исследование исправляющей способности сверточного кода от длины окна декодирования алгоритма Витерби // Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ , 2001. С 15-17.

19. Дергачев В.В. Комплекс технологической аудио/видео связи // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. Ростов н/Д, 2008, № 1.С. 26-29.

20. Дергачев В.В. Разработка программно-аппаратного комплекса, моделирующего оперативную технологическую связь в распределенных телекоммуникационных системах // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. Курск, 2008, № 2. С. 171 - 173.

21. Дергачев В.В. Система технологической видеоконференцсвязи. ФНГУ «Государственный координационный центр информационных технологий» № 5838 от 14.03.2006.

22. Дергачев В.В., Сухорукова H.H., Чупий Д.Н. Система технологической видеоконференцсвязи лабораторного комплекса «Виртуальная железная дорога». Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. №2006610989 от 31.03.2006.

23. Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. 563 с.

24. Еленин А. Связь XXI века, ноябрь 2000, журнал «Business Online».

25. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М., Винарский М.Г. Буферная память узлов коммутации в сетях ЭВМ анализ и методы расчеты. Препринт. -М.: Ин-т проблем управления, 1986. 62 с.

26. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М. Автоматизация проектирования сетей ЭВМ автоматизированных систем массового обслуживания. Докл. IX Всесоюзного совещания по проблемам управления // Ин-т проблем управления. М., 1983. - С. 435 - 437.

27. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М., Талалай А.И Метод анализа сетей связи ЭВМ с межконцевым механизмом управления потоками // Вычислительные сети коммутации пакетов / Ин-т электроники и вычислительной техники. -Рига, 1981. С. 54 59.

28. Зайченко Ю.П., Гонта Ю. В. Структурная оптимизация сетей ЭВМ. -Киев: Техника, 1986. 168 с.

29. Захаров Г.П., Лохматко В.В., Мирошников В.И. Пробелы оптимизации структурных сетей ПД. Процессы адаптации в информационно-вычислительных сетей. Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР. М., 1982. С. 14-31.

30. Каиров В., Макстенек М. Организация видеоконференций на базе ' цифровых систем передачи данных // Информационный бюллетень Jet Info. Изд. Джет Инфо Паблишер, №4, 1999.

31. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979.

32. Клейнрок Л. Коммуникационные сети: Пер. с англ. М.: Наука, 1975.

33. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1979.

34. Ковалгин Ю. А., Вологдин Э. И. Цифровое кодирование звуковых сигналов, КОРОНА принт, 2004 г.

35. Коваль В.А. Анализ качества многомерных управляемых систем. — Саратов, СПИ, 1978.

36. Кондратьева Л.А. Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики, изд.: М.: «Транспорт», 1982, Стр. 192.

37. Королев А.Н. Опыт эксплуатации оборудования оперативно-технологической связи DX-500 // Автоматика, Связь, Информатика, № 1, 2003.

38. Король В.В. Алгоритмы передачи речи в реальном масштабе времени в локальной вычислительной сети Fast Ethernet» / В кн.: Труды молодых ученых ИТМО. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. С. 131 133.

39. Кравцов Ю.А. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики, — М.: «Транспорт», 1996г. С. 254.

40. Кудрявцева В.А. Организация и управление движением на железнодорожном транспорте. Учебник. -М.: Издательский центр «Академия», 2006.

41. Куин Лаем, Рассел Ричард. Fast Ethernet. -Киев: Изд. группа BHV, 1998.

42. Мельников В.А. Кибернетика и вычислительная техника. -М.: ИД «Альянс», 1995.

43. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов. М.: Радио и связь, 1986. 408с.

44. Неббет Г. Справочник по базовым функциям API Windows NT/2000, Изд. «Вильяме», 2002. 528 с.

45. Окина A.A. Оперативно-диспетчерское управление / Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 144 с.

46. Олифер В.Г., Олифер H.A. Компьютерные сети принципы, технологии, протоколы. Изд-во: СПб: Питер, 2002.

47. Олифер В.Г., Олифер H.A. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: «Питер», 2000.

48. Поваляев Е. Разговор с компьютером // Журнал КомпьютерПресс, № 6, 2001.

49. Рабинер JI.P., Шафер Р.Ф. Цифровая обработка речевых сигналов. -М.: Радио и связь, 1981. 496 с.

50. Ранзер М. Оценка характеристик системы передачи данных. ТИИЭР, 1982, Т. 70, №2. С. 28 59.

51. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. «IP-телефония» Изд. 2-е. Инженерная энциклопедия: Технологии электронных коммуникаций. -М: «ЭкоТрендз», 2003. 131 с.

52. Семенов Ю.А. www.book.itep.ru (электронный ресурс).

53. Семенов Ю.А. Протоколы Интернет. Энциклопедия. М.: Горячая линия — Телеком, 2003.

54. Солдатов В.П. Программирование драйверов для Windows 98/2000/ХР/2003, издательство «Бином-Пресс», 2003, 432 с.

55. Сороко В.И., Кайнов В.М., Казиев Г.Д. Автоматика, телемеханика, связь и вычислительная техника на железных дорогах России. В двух томах, Том 1, -М.: НПФ «Планета», 2006.

56. Спнряев О. Технологии видеоконференцсвязи, №4, 2006.

57. Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. Спб.: Питер, Изд. группа BHV, 2003. 783 с.

58. Сухорукова Н.Н., Дергачев В.В., Гречук И.А. Современные технологии подготовки кадров // Автоматика, связь, информатика. — М., 2008, №1. С. 35-40.

59. Сухорукова Н.Н., Дергачев В.В. Программный комплекс для организации технологической связи. Сборник докладов Второй Межведомственной научно-практической конференции «ТелеКомТранс-2004». Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2004. - 516 стр.

60. Титтел Э., Хадсон К., Стюатр Дж. М. Networking Essentials. Сертификационный экзамен экстерном (экзамен 70-058). - СПб: «Питер», 1999. 384 с.

61. Устинскнй А.А., Степенский Б.М., Цыбуля Н.А., Шалягин Д.В., Баранова В.В., Косенко С.С., Макаров В.И. Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте, -: М.: «Транспорт », 1985. С. 322.

62. Федотов Е.В. Алгоритм генерации помеченных графов с заданными свойствами // XI Всесоюз. школа-семинар по вычислительным сетям / Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР. М., 1986. С. 52 - 54.

63. Филоненков А.И. Компьютерный практикум по организации и управлению на железнодорожном транспорте / 2-е изд., перераб. и доп.; Рост, гос. ун-т путей сообщения. — Ростов н/Д, 2003.

64. Филоненков А.И. Структура оперативного управлениями перевозками на железнодорожном транспорте. Рост. гос. ун-т путей сообщения. — Ростов н/Д, 2003.

65. Фролов А., Фролов Г. Синтез и распознавание речи. Современные решения, 2003, http://www.frolov-lib.ru/books/hi/index.html (электронный ресурс).

66. Хелд Г. Технология передачи данных. 7-е изд. Спб.: Питер, Издательская группа ВНУ, 2003. 720 с.

67. Шварк М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование: Пер. с англ. М: Радио и связь, 1981, 336 с.

68. Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1981, 336 с.

69. Шур Ю.Б., Лесин Л.М., Гольдштейн Б.С. Новые технологии для технологических сетей // Автоматика. Связь. Информатика, №7, 2006.

70. Adams A., Nicholas J., Siadak W. RFC 3973 «Protocol Independent Multicast Dense Mode (PIM-DM)», (Request for Comments) Internet Engineering Task Force, 2005.

71. Ajmone M. M., Bianco A., Giaccone P., Leonardi E., Neri F. Input-queued router architectures exploiting cell-based switching fabrics // Computer Networks», 2001, № 37. P. 541 559.

72. Artalejo J.R. A classified bibliography of research on retrial queues Progress in 1990-1999. Top. 1999. V. 7. P. 187 -211.

73. Aweya J. IP router architectures: an overview // Journal of systems architecture. №46, 1999. P. 483-511.

74. Buzen J.P. Computational Algorithms of Closed Queueing Networks with Exponential Servers Commum. ACM. 1973. Vol. 16, № 9. P. 527 531.

75. Cioara Jeremy D. ILSG Cisco, Cisco IP Telephony (CIPT) (Authorized Self-Study), 2nd Edition, Cisco Press, 2007.

76. Davidson Jonathan, Peters James, Bhatia Manoj, Kalidindi Satish, Mukherjee Sudipto. Voice over IP Fundamentals, 2nd Edition, Cisco Press, 2007

77. Deering S. RFC-1054: «Host Extensions for IP Multicasting», (Request for Comments) Internet Engineering Task Force, 1988. c

78. DiNicolo Dan. Cisco Group Management Protocol, CCDA Study Guide, 2007.

79. Empson D. S. CCNP BCMSN Portable Command Guide, Cisco Press, 2007.

80. Estrin D., Farinacci D., Helmy A., Thaler D., Deering S., Handley M., Jacobson V., Liu C., Sharma P., Wei L. RFC-2362 «Protocol Independent Multicast-Sparse Mode (PIM-SM)», (Request for Comments) Internet Engineering Task Force, 1998.

81. Hucaby David. CCNP BCMSN Exam Certification Guide (CCNP Self-Study, 642 811), 2-nd Edition , Cisco Press, 2003.

82. Karol M.J., Hluchyi M.G., Morgan S.P. Input versus output queuing on a space-division packet switch» // IEEE Transactions on Comm., Dec. 1987, Vol. 35, № 12. P. 1347-1356.

83. Karol M.J., Hluchyi M.G., Morgan S.P. Input versus output queuing on a space-division packet switch // IEEE Transactions on Comm., Dec. 1987, Vol. 35, № 12. P. 1347-1356.

84. Kaza Ramesh, Asadullah Salman. Cisco IP Telephony: Planning, Design, Implementation, Operation, and Optimization, Cisco Press, 2007.

85. Keith J., Video D. A Handbook for Digital Engineer / Third Edition, LLH Tehnology Publishing, 2001.

86. McKeown N., Anantharam V., Walrand J. Achieving 100% throughput in an input-queued switch // IEEE Transaction on Comm., Aug. 1999. Vol. 47, № 8. P. 1260-1267.

87. Estrin D., Farinacci D., Helmy A., Thaler D., Deering S., Handley M., Jacobson V., Liu C., Sharma P., Wei L. RFC-2362 «Protocol Independent Multicast-Sparse Mode (PIM-SM)», (Request for Comments) Internet Engineering Task Force, 1998.

88. Odom Wendell. CCNA ICND Exam Certification Guide. Cisco Press, 2003.

89. Stewart Brent. CCNP BSCI Official Exam Certification Guide, 4th Edition. Cisco Press, 2007.

90. Tobagi F.A. Fast packet switch architectures for broadband integrated services digital networks // Proceeding of the IEEE, Jan. 1999. Vol. 78, № 1. P. 133 -167.

91. Wallace Kevin. Cisco Voice over IP (CVoice) (Authorized Self-Study Guide), 2-nd Edition, Cisco Press, 2007.

92. Wang Zhou, Bovik Alan Conrad, Sheikh Hamid Rahim, Simoncelli Eero P. Image Quality Assessment: From Error Visibility toStructural Similarity, IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, Vol. 13, №. 4, APRIL 2004.

93. Wong J.W., Lam S.S. Queueing Network Models of Packet-switching Net works. Pt I. Open networks; Pt 2. Networks witch Population Size Constraints //Perform. Eval. 1982. №2. P. 9-21, 161 180.