автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и средства построения информационно-измерительных систем обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов

На правах рукописи

С:*"

СЕДЕЛЬНИКОВ Юрий Виїсгорович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие

I (ППШ «Г гтгтплпмлллч N

1 2 ДПР

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2012

005018603

005018603

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук ДАНИЛКИН Федор Алексеевич

- ПАНАРИН Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор

- ПРИВАЛОВ Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого», заведующий кафедрой

ГУ «Всероссийский центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера МЧС России»

Защита состоится «27» апреля 2012 г. в 14- часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.07 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, проспект Ленина, 92,9-101).

Автореферат разослан «_2о» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ф.А. Данилкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные промышленные объекты оснащаются сложными техническими системами, которые обеспечивают их комплексную безопасность от угроз различного происхождения. Основной особенностью является множество территориально распределенных точек измерения существенно разнотипных параметров, которые необходимо определять, передавать, обрабатывать и хранить.

Каждая техническая система промышленного объекта обладает ненулевой (пусть и весьма малой) вероятностью сбоя в своей работе либо полного выхода из строя. Учитывая то, что все технические системы прямо или косвенно влияют на работоспособность друг друга и всего промышленного объекта в целом, это непременно влечет за собой рост вероятности возникновения нештатной или чрезвычайной ситуации (ЧС) или множества ЧС на объекте в целом.

Все промышленные объекты подвергаются одновременно угрозам террористического, криминалистического, технологического и природного характеров. Защиты от всех типов угроз является задачей обеспечения комплексной безопасности. В настоящее время защита и предотвращение ЧС угроз каждого типа осуществляется различными техническими системами, что зачастую не позволяет оперативно ликвидировать и предотвращать ЧС.

Один из способов борьбы с ЧС - их своевременное предотвращение, для чего в центрах управления и мониторинга должна быть оперативная информация о состоянии объекта, что позволяет ставить задачу мониторинга состояния промышленного объекта.

На сложных производствах объемы передаваемых данных значительны, что предполагает усложнение структуры информационно-измерительной системы. В связи со спецификой работы воздействиям при ЧС могут подвергаться элементы информационно-измерительной системы, что предполагает дублирование как сенсорной подсистемы, так и подсистемы предобработки и передачи данных.

Это обуславливает переход от обычной структуры системы к новой структуре, где наряду с обычными направлениями потоков данных (от низшего информационного звена к более высокому) существуют возможности переадресации потоков данных.

Задачи, связанные с разработкой систем, обеспечивающих достоверность и актуальность измеряемой информации в степени, достаточной для принятия корректных управленческих решений по ликвидации ЧС, решены далеко не полностью. В частности, не решены задачи, связанные с разработкой методик построения информационно-измерительных систем обеспечения комплексной безопасности с резервированием узлов промежуточной обработки и хранения измерительной информации, обладающих свойством адаптивности к возможным изменениям на объекте в условиях воздействия внешних разрушающих факторов (пожар, разрушения и др.), что делает возможным динамическое изменение структуры в процессе эксплуатации.

Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации.

Объектом исследования является информационно-измерительная система с резервированием, определяющая состояние объекта на основании показаний территориально-распределенных датчиков для обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов.

Вся информация для системы безопасности делится на измерительную и сопутствующую (информация о датчике и точке измерения). Таким образом, предметом исследования диссертационной работы являются методы проектирования и построения информационно-измерительных систем с резервированием, обеспечивающих взаимосвязь измерительной и сопутствующей информации.

Измеряемая и сопутствующая информация должна быть согласована и адекватна реальной ситуации на объекте, что является показателем достоверности информации.

Цель диссертационной работы состоит в повышении оперативности и достоверности оценки состояния промышленного объекта за счет оптимизации структуры информационно-измерительной системы и распределенного хранения сопутствующей информации в точках измерения.

Задачи исследования:

1. Анализ существующих методов получения, передачи и обработки измерительной информации.

2. Анализ существующих способов резервирования трафика.

3. Разработка структуры подсистемы передачи данных устойчивых к отказам элементов подсистемы передачи данных при ЧС.

4. Анализ задач обработки данных при выбранном способе резервирования.

5. Создание методик и алгоритмов предварительной обработки измерительной информации о состоянии промышленного объекта для дальнейшей передачи, с учетом возможностей оборудования информационно-измерительной системы и стоимости передачи информации по каналам связи.

6. Разработка структуры комплекса технических средств и программного обеспечения информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, повышающей надежность получаемой информации.

Методы исследования. Методическую и теоретическую базу диссертационной работы составляют подходы и инструментарий теории информационно-измерительных систем, теории графов, математического программирования.

Вопросы телеметрии, мониторинга состояния промышленных объектов рассмотрены в работах Балыбердина В.А., Древина A.B., Киселева В.Д., Козырева А.Г., Краскина В.Б., Кудрякова С.Г., Лоскутова А.И., Назарова A.B., 06-рученкова В.П., Петрова А.И., Соколова С.М., Шитова И.В., Якимова В.Л., и других ученых.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Иерархическая структура информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, вытекающая

из свойств распределенности объекта измерения и обеспечивающая устойчивость к разрушающим факторам за счет резервирования узлов обработки данных и введения межмодульных связей на уровне предобработки информации.

2. Методика динамического перераспределения потоков измерительной информации, основанная на оптимальном назначении логических блоков физическим узлам подсистемы предобработки при отказе части оборудования.

3. Метод конструирования сенсорной подсистемы, обеспечивающий получение наряду с измерительной информацией сопутствующей информации о состоянии подсистемы предобработки.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны информационно-измерительная система, повышающая оперативность оценки состояния промышленного объекта и повышающая актуальность и достоверность получаемой информации, и подходы к конструированию информационно-измерительных систем с заданными свойствами, что позволяет снизить расходы, связанные с их проектированием и эксплуатацией.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами апробации разработанных методов при решении практических задач создания и внедрения информационно-измерительных систем обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов.

Положенга, выносимые на защиту:

1. Иерархическая структура информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов с резервированием компонентов подсистемы передачи данных.

2. Методика динамической оптимизации логической взаимосвязи элементов структуры информационно-измерительной системы при отказе части эле-метов системы под действием внешних разрушающих факторов.

3. Метод конструирования сенсорной подсистемы с резервированием.

Реализация и внедрение результатов. Прикладные результаты работы

внелтпены в Ш ОКСИОН ГУ МЧС РФ, ГУ МЧС РФ по Тульской области, Тульском региональном отделении межрегиональной общественной организации «Академия информатизации образования».

Теоретические результаты работы внедрены в учебный курс «Системы и сети передачи информации» на кафедре ЭВМ, «Информационные системы» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы легли в основу докладов на следующих конференциях: 1. Конференция профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» в 2010, 2011 г.г. 2. VI Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, ТУСУР, 2010). 3. II Всероссийская научная конференция «Научное творчество XXI века» с международным участием (Красноярск, Научно-инновационный центр, 2010). 4. 5-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами» (Тула, ТулГУ, 2010). 5. Всероссийская научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информацион-

ные системы» (Тула, ТулГУ, 2011). 6. XII Международная конференция "Информатика: проблемы, методология, технологии" (г. Воронеж, ВГУ, 9-10 февраля 2012 года).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 133 страницах. Состоит из введения, четырех глав и заключения, цитируемых источников 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведено краткое содержание каждого раздела, представлены основные научные результаты, выносимые на защиту, и обоснована их новизна.

В первой главе проводится аналитический обзор технических решений и методов, используемых в информационно-измерительных системах распределенных объектов для достижения требуемых технических характеристик и параметров.

Обосновывается необходимость внедрения информационно-измерительной системы на промышленных объектах для обеспечения комплексной безопасности.

Проведен аналитический обзор методической базы и инструментария проектирования информационно-измерительных систем.

Выделены особенности мониторинга состояния промышленного объекта, заключающиеся в том, что в процессе функционирования допускается его изменение. Исходя из этих особенностей, в работе определены сложности реализации существующих подходов к построению информационно-измерительной и управляющей системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов.

Сформулировано понятие конструирования информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, с позиций формальных методов определяемое как структурный и параметрический синтезы.

Информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов функционируют в условиях действия случайных факторов, источниками которых являются воздействие внешней среды, а также ошибки, шумы и отклонения различных величин, возникающие внутри системы. При возникновении ЧС это может привести к частичному выходу из строя отдельных элементов системы. В связи с этим, определены факторы, влияющие на работоспособность информационно-измерительной системы, и показатели, характеризующие эффективность ее функционирования.

Сформулирована задача разработки методик построения информационно-измерительных систем, обладающих способностью динамического построения и изменения структуры, и позволяющих решать одновременно задачи мониторинга состояния промышленного объекта с целью обнаружения и прогнозиро-

вания возникновения ЧС, а также управлять потоками людей и силами и средствами, направленными на ликвидацию ЧС, определена цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработано математическое описание проектирования информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов.

Информационно-измерительная система обеспечения комплексной безопасности промышленного объекта представлена в виде совокупности логических и физических узлов. Сформулированы понятия логического и физического узла. Под логическим узлом понимается часть системы, реализующая функции обработки информации, под физическим — элемент комплекса технических средств информационно-измерительной системы, реализующий функции одного или нескольких логических узлов.

В качестве модели, необходимой для описания взаимосвязи логических и физических узлов, выбраны ориентированные графы.

Графом физической структуры информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов называется неориентированный граф, отражающий набор физических узлов и множество связей между ними.

Граф физической структуры обозначается как

в=(и, Б),

где и = {и¡, и2, ..., ит} - множество вершин графа, каждая из которых представляет физический узел системы; а = {С/, Ш - множество ребер графа, соответствующих физическим цифровым каналам связи между узлами.

Технические характеристики физических узлов и каналов связи в системе отражаются заданием параметров вершинам и весов ребрам графа. Каждой вершине и, ставится в соответствие два параметра: Д, обозначающий производительность физического узла (максимальное число операций, которые может ВЫПОЛНИТЬ узел В единицу времени), и ф, обозначающий СТОИМОС1Ь ашшш^тм элементарной операции на физическом узле. Каждому ребру к = (щ и^ ставится в соответствие вес у, обозначающий стоимость передачи элемента данных в единицу времени.

Для передачи данных в системе используются как выделенные, так и каналы связи общего доступа, пропускная способность которых, применительно к данной задаче, не накладывает ограничений. Однако для снижения коэффициента загрузки каналов общего доступа, требуется предварительная обработка информации. При этом физические узлы допускают резервирование. Максимально возможное значение кратности резервирования для каждого физического узла, соответствующего вершине ну, задается параметром вершины Ар который означает количество вычислителей, выделенных для обработки измерительной информации в одном физическом узле.

Логическая структура определяется графом

Л=(У, Е),

где У={и1, о2, .... 1>,уг} - множество вершин графа, каждая из которых представляет собой логический узел информационно-измерительной системы обеспече-

ния комплексной безопасности промышленных объектов; Е={е,, е2.....еЫг} -

множество дуг графа, означающих передачу данных между узлами системы.

Задание характера потоков передачи и процедур обработки информации в системе выполнено назначением параметров вершинам и весов дугам графа. Каждой вершине и, ставится в соответствие параметр /-,, обозначающий количество элементарных вычислительных операций, обрабатываемых в узле в единицу времени. Каждой дуге е = (и„ о^ ставится в соответствие вес <5,у, обозначающий объем данных, передаваемых в единицу времени по каналу связи между логическими узлами сети.

Сформулирована и решена задача динамической оптимизации информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов в случае отказа отдельного оборудования и необходимости перенаправления информационных потоков в системе, которая сводится к установлению соответствия между логическими и физическими узлами системы. Реализация соответствия логических и физических узлов отражается графом

где множество вершин является объединением множеств вершин графа Л и графа в, а каждый элемент множества дуг этого графа р = (оь и^ обозначает назначение логического узла, соответствующего вершине о„ физическому узлу, соответствующему вершине щ.

Структуру данного графа удобно представить в виде матрицы Г, строки которой соответствуют логическим узлам системы, а столбцы — физическим.

' <Р\ 1 <Рп ••■ Ши р= <Р2\ 9п - Пыи

Если обозначить назначение логического узла о, физическому узлу щ с кратным резервированием как и, * >иу, то элемент (рч будет выражаться следующим образом:

IV,о,—=

[О, иначе.

Процесс проектирования систем охарактеризован наличием множества возможных вариантов реализации наилучшим из которых является, тот, который обладает наименьшим значением одного из следующих критериев:

СдЮ — минимизация стоимости вычислительного оборудования:

ЫуЫи /=1 /=1

С^) — минимизация стоимости передачи данных:

Ыу Мц Ыу А'ц

С5(ЛГ)= I I I I ЩПк^П^к ■

у=1/=1

Кроме того, сформулированы ограничения, накладываемые на возможные варианты решения задачи. Физический узел не может быть перегружен, то есть должно соблюдаться условие соответствия загруженности узла и его производительности, при этом все логические узлы должны быть назначены. Данные условия записывается в следующем виде

Ыу Ыу Ыу

Ът\ ^ Рь ¿№2 ^ Ръ- IУтыц * Рыи ■ ы 1=1 1=1

Ни % %

7=1 7=1 у=1

В зависимости от выбранного критерия приводится решение задачи поиска наилучшего варианта матрицы Е, соответствующего минимальному значению критерия, методами целочисленного программирования.

Для упрощения приводимых математических выкладок в работе произведено развертывание двумерной матрицы F на одномерную Г'. Приведены правила соответствия индексов двумерной и одномерной матриц. В результате сформулированная задача целочисленного программирования преобразуется к одномерному виду:

И ИИ

/(х)= X с]<р] + X I ¿к}(Рк<Р} 7=1 /=и=1

где <р, — элементы одномерной матрицы а индексы коэффициентов связаны следующими зависимостями:

9(}-\)Ыц+] ~ <Ру> с(!-1)%+7 ¿(,-1)%+7,(¿-1)%+/ =

¡,к = 0,1,2К Ну, у,/ = 0,1,2К Пц.

Так как приведенная целевая функция содержит произведение переменных то ее можно считать квадратичной.

Рассмотрены алгоритмы решения данной задачи целочисленного программирования с квадратичной целевой функцией, основанные на линеаризации целевой функции с использованием теории двойственности. Решение данной задачи состоит из двух этапов. На первом этапе решением п линейных задач определяются коэффициенты линейной функции.

Для оптимизации логической взаимосвязи элементов структуры информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов при определении порядка ветвления переменных и оценки границ решения методом ветвей и границ удалось применить решение двойственной задачи.

Определение варьируемых параметров сведено к решению непрерывной задачи линейного программирования, в которой условие целочисленности переменных не рассматривается.

Отмечается, что сведение задачи к линейному виду при оценке границ требует ее многократного решения. Применение точного симплекс-метода для многократного решения задач программирования приводит к большим вычислительным трудностям, поэтому предложено использовать приближенное решение соответствующих двойственных задач, для определения которого применяется итерационный алгоритм, основанный на идеях градиентного метода.

Также в работе приводится решение частных случаев задачи реализации системы, характерное для информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, в которых не применяется резервирование, то множество значений переменных х1 сокращается и становится равным {0, 1}. В этом случае задача реализации системы сводится к задаче целочисленного программирования с булевыми переменными и квадратичной целевой функцией. Также приведено решение задачи реализации системы без учета стоимости передачи данных, сформулированной в виде задачи целочисленного программирования с линейной целевой функцией.

В третьей главе разработана иерархическая структура информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов.

Требование иерархичности структуры, вытекающее из особенностей системы, обуславливает необходимость выделения множества структурных уровней, на каждом из которых будет решаться определенный круг задач.

Анализ задач, решаемых системой, позволяет сформировать следующее множество уровней: уровень измерения (интеллектуальных датчиков), уровень концентраторов информации, управляющий уровень, уровень обработки информации, уровень хранения общей и справочной информации.

Отмечено, что, информация об объекте может быть разделена на измерительную (показания датчиков, характеризующих тот или иной физический процесс: температура в помещении, уровень жидкости, загазованность и т.д.), и сопутствующую (тип и модель датчика, калибровочная таблица датчика, данные о работоспособности датчика и элементов подсистемы передачи данных, необходимости его поверки и сервисного обслуживания, указание получателей измерительной информации, пороги выдачи предупредительных и аварийных сообщений и прочая информация о точке измерения).

В разработанной системе преодолены недостатки общепринятого подхода проектирования, когда сопутствующая информация о датчике на промышленном объекте хранится в централизованной базе данных, располагаемой на уровне хранения совместно с общей информацией, что при изменениях на уровне терминальных устройств снижает актуальность и достоверность совокупной информации об объекте.

Предложенный метод конструирования сенсорной подсистемы основан на конструктивном совмещении чувствительного элемента датчика и интеллектуального модуля и их совокупном представлении в виде интеллектуального датчика.

В качестве чувствительного элемента могут выступать любые датчики, которые имеют стандартные выходы: «сухой контакт» или аналоговый интер-

фейс типа токовая петля «4-20 мА». Интеллектуальный модуль представляет с собой вычислитель, выполняющий функции предварительной обработки информации, реализующий протоколы обмена данными с концентраторами и осуществляющий управление энергонезависимой памятью.

Концентраторы обобщают информацию, получаемую от интеллектуального датчика, и передают результат на управляющий уровень системы. В случае их выхода из строя выполняется алгоритм динамической оптимизации, перераспределяющий потоки измерительной информации внутри информационно-измерительной системы. Кроме того, концентраторы осуществляют непрерывный контроль работоспособности датчиков, выдают сообщения о необходимости их замены и сервисного обслуживания.

Так как интеллектуальные датчики могут подключаться и отключаться в произвольные моменты времени, решена задача динамического изменения структуры информационно-измерительной системы.

Предложен метод конфигурирования сети концентратора, позволивший разработать алгоритм динамического построения информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленного объекта. Подключение новых и отключение существующих интеллектуальных датчиков осуществляется без приостановления работы системы в целом или любой ее части.

Интеллектуальный датчик представляет собой физический узел, соответствующий вершине Uj графа физической структуры, и реализует функции логического узла, соответствующего вершине и, графа логической структуры.

Каждый вновь подключенный к сети интеллектуальный датчик не имеет логической связи с концентратором, то есть является не инициализированным. Для организации информационного обмена между интеллектуальным датчиком и концентратором необходима процедура инициализации, после которой интеллектуальный датчик может передавать концентратору хранящуюся у него информацию как измерительную, так и сопутствующую по запросу щ ».ипцСН-тратора. Проинициализированный в системе интеллектуальный датчик позволяет получить сопутствующую информацию, хранящаяся в нем всей системе, а при его отключении данная информация помечается как утратившая актуальность.

Интерфейс между концентратором и подключенными к нему интеллектуальными датчиками использует принцип общей магистрали, что упрощает подключение датчиков и прокладку кабельной сети, но накладывает дополнительные требования по автоматическому включению датчиков в информационно-измерительную систему. Используемая магистраль характеризуется следующим множеством параметров:

М={М,ТХК,Рх,Р2},

АГ- максимально возможное число одновременно включенных в сеть интеллектуальных датчиков, Т={і1^2,... Лр} - множество моментов времени, в которые концентратор и интеллектуальный датчик обмениваются данными,

Х={х\,х2.....хт} — множество интеллектуальных датчиков, каждый элемент

которого х„=(хп,гп), где Хп ~ сетевой адрес интеллектуального датчика, г„ -уникальное число для всего множества интеллектуальных датчиков.

Новым интеллектуальным модулям присваивается значение х = Хо> за"

резервированное из всего множества возможных номеров, которые доступны концентратору. Мощность множества \Х\ может изменяться в любой момент

времени/„. К ={к\,к2.....к^} - множество адресов интеллектуальных датчиков,

включенных в сеть. Все элементы множества К уникальны. Р\=К -» X — поток информации от концентратора к интеллектуальным датчикам. X К -поток информации от интеллектуального датчика к концентратору.

Обмен информацией может происходить только по инициативе концентратора: Р1 => Р2.

Подключение нового модуля к сети концентратора описано следующим образом:

х'-(хоУ); Х=Хи{х% щ = 1

С целью определения новых элементов в сети концентратор отправляет запрос на инициализацию новых интеллектуальных датчиков, в ответ на который неинициализированные интеллектуальные датчики отправляют свой гх..

Для каждого х/ е X', где X' - множество неинициализированных модулей, концентратор генерирует новый адрес к', присваивает его соответствующему интеллектуальному датчику, таким образом х(= (ХиЪ), гДе Хгк'. Интеллектуальный датчик становится инициализированным. Затем начинается штатное функционирование системы.

При изъятии интеллектуального датчика из сети выполняются следующие действия: Х = Х\{х(}; К=К\{кт}(кт=цх.); О

Описанный алгоритм работает в тех случаях, когда одновременно подключается только один интеллектуальный датчик. В случае подключения к сети более одного интеллектуального датчика в один момент времени (, еГ,в сети могут возникать коллизии, при которых несколько интеллектуальных датчиков пытаются передать по сети свой гх . Таким образом, возникает задача разрешения коллизий. В работе предложен алгоритм преодоления коллизий, заключающийся следующем.

В запросе на инициализацию концентратор отправляет интеллектуальным модулям оригинальное число О, получив которое каждый интеллектуальный датчик генерирует случайное число с1х. такое, что с1х. е[0,0].

Далее концентратор перебирает все числа из заданного диапазона. Интеллектуальные датчики, сгенерировавшие это число, отвечают концентратору:

Следует отметить, что предложенный алгоритм значительно снижает вероятность появления коллизий и оптимальным образом их разрешает.

Преимуществами предложенного способа являются возможность обновлять сопутствующую информацию в месте измерения, возможность динамической реконфигурации систем комплексной безопасности, автоматическое обновление информации о структуре информационно-измерительной системы на управляющем уровне при добавлении новых устройств терминального уровня.

Потребителями измеренной информации о состоянии промышленного объекта является множество ведомств (МЧС, МВД, ФСБ, различные коммунальные службы). Выбор получателя предупредительных и аварийных сообщений осуществляется концентратором на основе сопоставления измеренной и сопутствующей информации, занесенной в интеллекту альный датчик. Каждый из структурных уровней предполагает универсальный способ построения, за исключением уровня обработки, реализация которого зависит от задачи. В качестве примера рассматривается система поддержки принятия решений по обеспечению безопасности на основе сбора информации для систем жизнеобеспечения.

Таким образом, совмещение измерительной и сопутствующей информации позволило повысить достоверность информации о состоянии промышленного объекта.

В четвертой главе описывается реализация разработанных методов и алгоритмов, позволяющая экспериментально проверить их эффективность.

Описывается структура комплекса технических средств каждого из уровней информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, представленная на рисунке 1.

Промышленный объект

Уровень концентраторов информации Концентратор

Щ

ЕДДС

Управляющиі уровень

УВД

^правляіоїциі уровень

Рисунок 1 — Структура системы безопасности промышленного объекта

Интеллектуальный датчик включает две компоненты: стандартный чувствительный элемент и интеллектуальный модуль, построенный на базе микроконтроллера семейства Piclö. Внешний вид представлен на рисунке 2.

Уровень концентраторов состоит из узлов, построенных на базе одноплатных компьютеров IB887, работающих под управлением операционной системы Linux.

Программное обеспечение интеллектуальных датчиков и концентраторов реализует алгоритмы перераспределения информационных потоков в системе при нарушении функционирования элементов подсистемы передачи данных.

Управляющий уровень, уровень обработки и хранения общих данных включают в себя сервера и автоматизированные рабочие места операторов, на которых функционирует программное обеспечение, разработанное с использованием web-технологий по принципу

Информационное взаимодействие между элементами комплекса технических средств информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов строится по иерархическому принципу.

Программное обеспечение подразделяется на общее и специальное. В работе представлены алгоритмы и структура разработанного специального программного обеспечения.

Информационное обеспечение системы реализовано для интеллектуальных датчиков, концентраторов информации, прикладного программного обеспечения и баз данных.

Информационное обеспечение выполнено в виде набора параметров, хранящихся в памяти, таблиц базы данных и вспомогательных объектов, обеспечивающих корректную обработку и хранение данных.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и перспективы развития исследований.

Основные результаты работы

Проведенные в рамках диссертации исследования позволили получить следующие результаты, имеющие практическое и научное значение:

1. Выполнен анализ существующих методов получения, передачи и обработки измерительной информации, а также способов резервирования

«тонкий клиент» (рисунок 3).

Рисунок 3 - Внешний вид интерфейса

трафика. Выделены преимущества методов распределенного анализа информации в информационно-измерительных системах и показана необходимость развития исследований с целью разработки необходимых методов.

2. Описаны факторы, влияющие на информационно-измерительную и управляющую систему обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, и показатели, характеризующие эффективность ее функционирования, что дало возможность сформулировать критерий качества и систему ограничений для выбора оптимального варианта.

3. Предложена иерархическая структура информационно-измерительной системы обеспечения комплексной безопасности промышленных объектов, вытекающая из свойств распределенности объекта измерения и обеспечивающая устойчивость к разрушающим факторам.

4. Разработана методика динамического перераспределения потоков измерительной информации, основанная на оптимальном назначении логических блоков физическим узлам подсистемы предобработки при отказе части оборудования.

5. Разработан метод конструирования сенсорной подсистемы, обеспечивающий получение наряду с измерительной информацией сопутствующей информации о состоянии подсистемы предобработки.

6. Созданы методика и алгоритмы предварительной обработки измерительной информации о состоянии промышленного объекта для дальнейшей передачи, с учетом возможностей оборудования информационно-измерительной системы и стоимости передачи информации по каналам связи.

7. Предложена математическая модель сети концентратора, позволившая разработать алгоритм динамического построения информационно-измерительной системы. Также предложен алгоритм преодоления коллизий при одновременном подключении нескольких терминальных устройств.

С. Спрсс:гг::рс:^::г ::1:фер,'*уы«"и«-и™епительная система, повышающая оперативность оценки состояния промышленного объекта и повышающая актуальность и достоверность получаемой информации, и подходы к конструированию информационно-измерительных систем с заданными свойствами, что позволяет снизить расходы, связанные с их проектированием и эксплуатацией.

9. Экспериментально установлено, что разработанные программные модули позволяют повысить оперативность оценки состояния промышленного объекта, а также актуальность получаемой информации, что увеличивает вероятность принятие адекватных управленческих решений при ликвидации ЧС.

10. Результаты работы внедрены в промышленности при реализации систем комплексной безопасности.

Публикации по теме диссертации:

1. Седельников Ю.В. Система поддержки принятия решений при ликвидации последствий ЧС в ЖКХ на основе моделей инфраструктуры

социально значимых объектов// Технологии гражданской безопасности Научно-технический журнал том 7, №1-2. ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) М-2010 стр.89-91. '

2. Седельников Ю.В. Моделирование подразделений МЧС на основе групповых объектов// Технологии гражданской безопасности. Научно-технический журнал том 7, №3. ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). М:2010, схр34-38•

3. Седельников Ю.В., , Киселев В.Д., Мартыненко A.B. Повышение эффективности метода встречного решения функциональных уравнений динамического программирования на основе теории двойственности // Научные труды 28 научной сессии посвященной дню радио. Тула: Тульский полиграфист. 2010, стр. 36-39.

Л. Седельников Ю.В., , Киселев В.Д., Мартыненко A.B. Применение модифицированного симплекс метода для повышения эффективности задач целочисленного линейного программирования // Научные труды 28 научной сессии посвященной Дню радио. Тула: Тульский полиграфист. 2010, стр. 39-43.

5. Седельников Ю.В., , Киселев В.Д., Мартыненко A.B. Применение теории двойственности в задачах целочисленного программирования // Научные труды 28 научной сессии посвященной дню радио. Тула: Тульский полиграфист. 2010, стр. 43-50.

6. Седельников Ю.В.,, Киселев В.Д., Мартыненко A.B. Методы и алгоритмы решения задач целочисленного квадратичного программирования на основе теории двойственности // Научные труды 28 научной сессии посвященной дню радио. Тула: Тульский полиграфист. 2010, стр. 50-56.

7. Седельников Ю.В., Хлебцов Н.В. Повышение эффективности отслеживания перемещения автономных поисково-спасательных групп// Технологии гражданской безопасности. Научно-технический журнал том 8 Jfel. ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). М:2011, стр.36-38.

8. Седельников Ю.В., Гришин МЛ. Современный подход к проектированию систем мониторинга для служб быстрого реагирования командного типа// Технологии гражданской безопасности. Научно-технический журнал том 8, №1. ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). М.2011, стр. 649. Седельников Ю.В., Сычугов A.A. Сегменты системы комплексной безопасности при реализации промышленных проектов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 56 в 3 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Ч. 3. с.239-245

Изд. лиц. ЛР№020300от 12.02.97. Подписано в печать 19.03.2012 г Формат бумаги 60x84 '/16 .Бумага офсетная.

Усл. печл. 0,9 Уч.-издл. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 43 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, пр. Ленина 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, пр. Ленина 95