Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

APPLICATION OF AUTOMATED ALGORITHM FOR BIPOLAR NETWORKS AVAILABILITY FACTORS CALCULATING FOR THE RELIABILITY ANALYSIS OF THE TECHNOLOGICAL COMMUNICATION NETWORKS IN THE GAZ INDUSTRY

Remeshkov V.Yu. 1 Pisarev O.V. 1 Milov V.R. 2
1 JSC Giprogazcentr
2 Nizhniy Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev
One of the main objectives in the design of a technological network is to ensure the achievement of the regulatory requirements for the communication reliability. According to the standards of JSC Gazprom for technological communication networks a complex indicator of reliability is defined, it is the availability factor. This article describes approaches developed by the authors to analyze the reliability of technological communication on the basis of statistical data on failures of its elements using known mathematical model of communication networks - bipolar graph. For automation of bipolar networks availability factors calculations a computer program had been developed by a group of authors, on which the Certificate of state registration was obtained. During the researches, in which the authors had taken part, problems of reliability analysis of information exchange between remote network nodes and of communication systems for linear telecontrol had been solved and solutions for the organization of traffic reservation were suggested.
technological communication network
bipolar graph
reliability analysis
availability factors calculation

Введение

Надежность технологической сети связи является одной из важнейших ее характеристик, так как перерывы связи сопряжены с опасностью возникновения аварий и катастроф.

В соответствии со стандартами ОАО «Газпром» [6,7] нормируется комплексный показатель надежности связи – коэффициент готовности (Кг), представляющий собой вероятность работоспособности заданного направления информационного обмена в произвольный момент времени.

Приведем описание методики расчета Кг двухполюсной сети, который определяется как вероятность существования хотя бы одного работоспособного пути между полюсами [8].

Шаг1. Представление анализируемых направлений информационного обмена в виде двухполюсных графов. Определение коэффициентов готовности элементов двухполюсного графа:

  • получение и обработка данных по статистике отказов на первичной сети связи;
  • расчет удельных значений Кг узлов и линий связи различных типов;
  • расчет значений Кг элементов двухполюсного графа с учетом конкретных значений протяженности линий связи.

Подробное описание расчета Кг элементов двухполюсного графа на основе данных по статистике отказов элементов сети связи приведено в [3].

Шаг 2. Расчет коэффициента готовности двухполюсной сети.

Решению данной задачи посвятили свои работы многие известные авторы, например: Э. Мур, К.Шеннон, И.А. Ушаков, В.Н. Рогинский, Б.П. Филин.

Кг приводимых графов вычисляется с использованием формул последовательного и параллельного соединения элементов [8]. Однако не все двухполюсные сети можно привести к последовательно-параллельному соединению элементов. Простейшим примером двухполюсной сети, не приводимой к последовательному или параллельному соединению элементов, является мостиковый граф Ли, представленный на рисунке 1 (буквами А, D обозначены полюса сети).

Рис. 1 - Мостиковый граф Ли

Для неприводимых графов известен ряд способов расчета Кг [8]:

  • метод перебора простых цепей;
  • метод разложения булевой функции относительно особого элемента;
  • метод объединения простых цепей с учетом эффекта поглощения;
  • метод двудольных графов;
  • метод полного перебора состояний элементов двухполюсной сети связи.

Известно, что расчет Кг двухполюсной сети «вручную» любым из вышеперечисленных методов является весьма трудоемкой задачей. Например, при вычислении Кг двухполюсной сети методом полного перебора состояний ее элементов количество рассматриваемых состояний сети обладает показательной зависимостью от числа ее элементов, и, для сети, состоящей из 20 элементов, необходимо рассмотреть свыше одного миллиона состояний. Учитывая, что технологическая сеть связи ОАО «Газпром» включает в себя несколько сотен сетевых элементов, возникает необходимость автоматизации вычислений коэффициентов готовности двухполюсных сетей.

Данная задача формирует цель настоящего исследования – создание автоматизированного алгоритма расчета коэффициентов готовности двухполюсных сетей, адаптированного для процесса проектирования технологических сетей связи.

Автоматизированный алгоритм расчета коэффициентов готовности двухполюсных сетей

В ОАО «Гипрогазцентр» был создан автоматизированный алгоритм расчета коэффициентов готовности двухполюсных сетей [1], учитывающий специфику проектирования технологических сетей связи, а именно:

  • расчет Кг направления связи по одиночным путям передачи информации и по паре путей (выполняется по формулам последовательно-параллельного соединения элементов);
  • расчет Кг направления связи по трем и более путям информационного обмена. При этом независимо рассматриваются состояния всех элементов двухполюсной сети, таким образом, реализуя метод полного перебора состояний элементов [3].

Пути информационного обмена определяются исходя из сетевой топологии и имеющихся канальных планов или сведений об алгоритмах резервирования сетей передачи данных (Ethernet, SDH). Программа также определяет среди всего множества путей передачи информации пару путей, обеспечивающих наибольшее значение Кг передачи информации, что является важным при поиске оптимального резервного пути информационного обмена.

Блок-схема программы приведена на рисунке 2. Здесь применены следующие обозначения коэффициентов готовности: Кг – пути, КгУЧ – участка, КгОБЩ.Ч. – общей части пары путей, КгВЕТВИ – части одного пути, которой он отличается от другого в паре, КгСОВОКУП. – двухполюсной сети, рассчитываемый методом полного перебора состояний сети. Участок представляет собой последовательность ребер и вершин графа, из которых исходит не более двух ребер, заключенную между вершинами, из которых исходит три ребра и более, или между полюсом графа и такой вершиной. Участком также является вершина графа, из которой исходит три и более ребер; полюса графа также являются участками. Объясним целесообразность такого определения понятия “участок”. Степень независимости путей определяется наличием различных участков в этих путях. Через один участок может проходить несколько путей, при этом он будет являться общим для всех этих путей, и неготовность одного элемента этого участка приведет к неготовности всех этих путей. Если хотя бы один из элементов участка принадлежит какому-либо пути, то и все остальные элементы данного участка принадлежат этому пути. Состояние сети определяется исправностью или неисправностью каждого отдельно взятого ее элемента.

Рисунок 2 – Блок-схема программы расчета Кг двухполюсных сетей

В качестве примера работы программы приведем результаты расчета Кг мостикового графа (рис. 1) при помощи разработанной программы, реализующей разработанный алгоритм (рис. 3). График иллюстрирует зависимость Кг двухполюсной сети A, D в зависимости от Кг ребер АВ и ВС. Здесь значения Кг всех ребер графа одинаковы и составляют 0,9, а Кг ребер АВ и ВС поочередно варьируется в интервале 0,1…1 с шагом 0,1.

Рис. 3 – График зависимости Кг двухполюсной сети от Кг ребер графа

Как видно из графика, зависимость Кг двухполюсной сети от значения Кг ребра АВ существенно более ярко выражена, по сравнению с ребром ВС. Это объясняется тем, что ребро АВ исходит непосредственно из полюса сети и резервируется только ребром AF, в то время, как ребро BC резервируется тремя другими ребрами, расположенными в середине графа: BE, FE, CF.

Кроме того, была исследована зависимость Кг двухполюсной сети (рис. 1) от Кг ребер CD и BE. По результатам расчета, зависимость Кг двухполюсной сети от Кг ребра CD идентична таковой от ребра АВ, а влияние Кг ребра BE в этом смысле идентично Кг ребра BC. В силу симметричности рассматриваемого графа можно утверждать, что при такой постановке задачи существуют всего две различные зависимости Кг графа от Кг ребер:

  • для ребер, исходящих из полюсов: AB, AF, DC, DE;
  • для остальных ребер графа: BC, BE, FE, FC.

Для получения точек графика была выполнена серия из 20 расчетов, что без использования программного алгоритма заняло бы около 1 месяца непрерывных вычислений [5]. При проектировании нередко возникают аналогичные задачи, при которых необходимо проследить зависимость результирующего значения коэффициента готовности сети связи от Кг заданной линии связи. В таких ситуациях автоматизация расчетов способствует сокращению длительности процесса проектирования и обеспечивает оперативное принятия проектных решений по организации связи.

Шаг 3. Оптимизация сетевой топологии на основе расчетов Кг двухполюсных сетей и сопоставления различных вариантов организации резервирования.

При проектировании линий связи необходимо обеспечивать выполнение нормативных требований по надежности для целого ряда направлений информационного обмена, например:

  • между Центральным узлом связи ОАО «Газпром» и центральными узлами связи газотранспортных Предприятий;
  • между центральным узлом связи газотранспортного Предприятия и узлами связи компрессорных станций;
  • между диспетчерским пунктом линейно-производственного управления магистральными газопроводами и контролируемыми пунктами линейной телемеханики.

Для решения поставленной задачи выполняется множество расчетов Кг двухполюсных сетей для требуемых направлений информационного обмена. При этом рассматриваются различные варианты организации резервных путей передачи информации.

По результатам расчетов выбирается множество вариантов организации связи, удовлетворяющих требованиям по надежности, среди которых выбор наиболее оптимального варианта осуществляется уже по другим критериям (пропускная способность, стоимость реализации и т.п.).

Внедрение программы расчета Кг двухполюсных сетей в проектирование технологических сетей связи

Разработанная программа [1] применяется в ОАО «Гипрогазцентр» при проектировании технологических сетей связи газопроводов. При этом решаются следующие задачи:

  • определение путей информационного обмена между источниками и получателями информации для различных вариантов организации связи;
  • расчет коэффициентов готовности направлений информационного обмена при помощи разработанной программы;
  • сравнительная оценка показателей надежности различных вариантов организации сетей связи.

Выполнен анализ надежности связи для систем линейной телемеханики магистральных газопроводов [4], где рассмотрены всевозможные варианты организации связи для систем линейной телемеханики магистральных газопроводов и надежность каждого варианта организации связи проанализирована на примере гипотетического участка магистрального газопровода и контрольной выборки пунктов телемеханики. По результатам расчетов сделаны выводы о выполнении (либо не выполнении) требований по надежности при заданном варианте организации связи.

В ОАО «Гипрогазцентр», наряду с описанной выше программой, формируется комплекс программных средств, включающий в себя программу расчета зон радиопокрытия, используемую для определения мест расположения базовых станций [2] при проектировании беспроводного сегмента технологических сетей связи.

Выводы

В ОАО «Гипрогазцентр» создан автоматизированный алгоритм расчета коэффициентов готовности двухполюсных сетей, адаптированный для процесса проектирования технологических сетей связи. Применение данного алгоритма позволяет оперативно решать следующие задачи:

  • определение множества путей информационного обмена на сети связи, обеспечивающих выполнение требований по надежности связи;
  • оценка надежности различных вариантов организации связи, рассматриваемых при проектировании.

Рецензенты:

Ларцов С.В., д.т.н., профессор, главный инженер проектов Бюро ГИПов, ОАО «Гипрогазцентр» ОАО «Газпром», г.Нижний Новгород.

Есипенко В.И., д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры Электроника и сети ЭВМ Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.