Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (конспект лекций) Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии» Кафедра «Электрическая связь» Курс разработан для специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» Специализация «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта» Дисциплина изучается на 1 курсе Санкт – Петербург 2019 2 СВЯЗЬ – КАК ВОЗДУХ. О НЕЙ ВСПОМИНАЮТ ТОЛЬКО ТОГДА, КОГДА ЕЁ НЕ ХВАТАЕТ. ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ При взгляде на огромную территорию нашей страны, где разворачивается перевозочный процесс на железнодорожном транспорте, невольно возникает ряд вопросов: – как управлять таким огромным и разнообразным хозяйством; – как обеспечить непрерывный контроль за ходом технологических процессов; – как обеспечить безопасность пассажиров, технического и обслуживающего персонала; – как получить максимальную прибыль от инвестиций в развитие той или иной части транспортной отрасли. Ответы на эти вопросы дает наука об управлении. Именно в ней разработаны методы и методики оценки конкретных ситуаций и выработки рекомендаций (управленческих решений) по дальнейшему течению того или иного производственного процесса. Но управлять объектом или процессом без знания обстановки вокруг него, без знания манеры его поведения до и после принятия управляющего решения, без знания нормативных актов, регламентирующих поведение объекта в той или иной ситуации, без знания поведения объекта в аналогичных ситуациях в прошлом, невозможно. Для принятия управляющего решения нужна информация об объекте и его окружении. И, чем еѐ больше, чем она достовернее и чем в большей степени она упреждает мгновение принятия решения, тем лучше, тем правильнее будет само решение, и действеннее будет управляющее воздействие. Доставить информацию в пункт управления помогают средства связи и, прежде всего, сети связи, развернутые на территории отрасли, сети ведомственной технологической связи (СВТС). От правильного построения сети связи зависит своевременность, полнота и достоверность информации, получаемой в системе управления, а, следовательно, и получение лучшего решения. Целью настоящей дисциплины является получение знаний о месте сети электросвязи в системе управления на железнодорожном транспорте. При этом рассматривается, каков состав сети связи и с точки зрения применяемой техники, и с точки зрения организационного еѐ построения, каковы методы еѐ проектирования и эксплуатации. 3 Весь материал разделѐн на четыре части. Первая часть знакомит читателей с неразрывностью понятий информация и управление, вторая со структурой перевозочного процесса, третья посвящена видам связи для поддержки перевозочного процесса, а четвѐртая моделированию сетей связи как инструменту, применяемому при проектировании сетей, 1. ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЖИЗНИ ОБЩЕСТВА 1.1. Информация вокруг нас В процессе своей эволюции общество прошло этапы механизации, автоматизации и теперь вступило в этап информатизации. Информатизация – организационный, социально-экономический и научно-технический процесс, в основе которого лежит массовое применение информационных и телекоммуникационных средств и технологий во всех сферах жизни общества для кардинального улучшения условий труда и качества жизни населения, значительного повышения эффективности всех видов деятельности [3]. Любой предмет окружающего нас мира потенциально несѐт в себе информацию. И она проявляется в изменении его параметров, состояний, характеристик. Аудио информация содержится в изменении высоты, силы и ритма звуков. Текстовая информация представляется на техническом носителе в изменении начертания и взаимного расположения символов конечного алфавита. Результаты работы сложнейших вычислительных машин появляются в виде потока двоичных цифр (данные) и пр., и пр. Но эти изменения видны и слышны на ограниченном расстоянии в силу свойств среды передачи. Для увеличения дальности следует увеличивать размеры оригинала. Увеличивать силу звуков, увеличивать размеры символов и др., что нельзя делать беспредельно. Следовательно, для организации обмена информацией, доставки еѐ из одной точки пространства в другую следует применить единый агент для еѐ переноса в пространстве, какой-то сигнал, еѐ заменяющий, и научиться выполнять взаимообратные преобразования сообщения в сигнал. Сегодня таким агентом является электромагнитные волны, которые существуют и распространяются в искусственной (провод) или естественной (эфир) среде. Для описания процессов и понятий, связанных с информацией и управлением, можно брать примеры из обыденной жизни, из поведения человека в той или иной ситуации. И это можно объяснить следующим. Человеческий мозг являет собой самый совершенный аппарат по работе с информацией, по еѐ анализу и принятию решений. Он управляет через нервную систему всеми действиями и реакциями человека, которые, в большинстве своѐм, достаточно понятны и, на первый взгляд, очевидны. Вот почему примеры, взятые из обыденной жизни, из поведения человека в тех 4 или иных ситуациях, примеры получения исходной информации и принятия решений будут понятны каждому. И они могут служить для понимания взаимосвязи между управлением и информацией более сложных ситуаций в физических, социальных, политических, экономических и других сферах. В своей повседневной жизни мы непрерывно пользуемся информацией. Мы просыпаемся и решаем, вставать нам или нет, получив какую-то информацию. Это либо взгляд на часы, либо шум за окном, либо воспоминание о том, что планировалось сделать в этот день и насколько важно встать сразу или можно еще полежать. Мы идем, получая видеоинформацию от окружающего нас мира. Пользуясь аудио информацией, уступаем дорогу урчащему сзади автомобилю. Мы берем с собой зонтик, услышав шум дождя за окном, или раскаты грома. Мы собираемся сделать какую-либо покупку, получив информацию из рекламы по радио, по телевидению или из газет. Мы сами что-либо говорим или делаем и это служит мотивом для действий других людей, получивших от нас ту или иную информацию. Мы всю жизнь получаем, анализируем, перерабатываем и потребляем какую-нибудь информацию. Мы живем в мире информации, как рыбы в аквариуме. Непрерывный ее поток заставляет нас действовать, переживать, защищаться, радоваться или огорчаться, мыслить или блаженствовать. Все наши действия, так или иначе, есть отклик на полученную информацию. Мы непрерывно еѐ потребляем, мы непрерывно еѐ создаем, мы непрерывно обмениваемся ей. Информация возникает, увеличивается или уменьшается. Мы еѐ обрабатываем, передаѐм, опираемся на неѐ в наших решениях и действиях. Информации бывает много или мало. Информация везде. Информация разнообразна. Мир существует только потому, что любой его элемент может получать, хранить, перерабатывать информацию и реагировать на нее. Любой элемент постоянно находится в непрерывном информационном поле, в непрерывном информационном процессе, в непрерывном информационном взаимодействии, получая и реагируя на информацию и порождая информацию новую. Информация и реакция на неѐ неразрывны. Информация – понятие довольно загадочное и однозначно не определѐнное. Это категория идеалистичная. Идеалистичная в том смысле, что это не материя и не энергия. Это отражение многообразия изменений объектов материального мира. Это осмысление восприятий этих объектов, их анализ, сравнение с ранее известным. Это множество вариантов анализа в различных ситуациях дальнейшего использования. Это возможность выбора варианта, поиск лучшего из них. Это целый процесс, бесконечный процесс. Это информационная деятельность, протекающая параллельно с реальным процессом материального мира. И хотя информация субстанция не материальная, не имеющая ни оружия, ни психотропных, ни наркотических средств, она может развеселить 5 человека, может привести его в уныние, может вызвать у человека дикий восторг, а может вызвать остановку сердца, привести человека к смерти. Информация имеет ценность. Информация имеет вес. Одна и та же информация может иметь разное значение в разных ситуациях и использоваться многократно. Информация живѐт всегда, видоизменяясь, увеличиваясь или уменьшаясь, порождая ту или иную реакцию. Информация, согласно теории, измеряется той степенью неопределѐнности, которую она снимает. Но это свойство заложено не только в самой информации, но и в способе еѐ восприятия, в методе анализа, в интеллектуальном восприятии получателем, в его потребностях, в априорно ощущаемой пользе от этой информации. Простейший пример. Горит электрическая лампочка. За ней наблюдает человек. Наблюдает минуту, две, пять, десять, двадцать, тридцать, час, два и так далее. Он знает, что она может гореть или не гореть. В зависимости от внутреннего мира человека, его интеллекта и мироощущения, эта простая ситуация, с крайне скудной информацией, может интерпретироваться по-разному. Один скажет: все в порядке (горит) или чтото не так (не горит). Другой может подумать: энергетическая система, питающая лампочку, в норме или в ней произошел какой-то сбой. А третий начнет рассуждать: электрическая цепь, состоящая из источника энергии, подводящих проводников и лампочки исправна (лампочка горит) или не исправна (лампочка не горит). Причем во втором случае с большей вероятностью перегорела лампочка, с меньшей – обрыв подводящих проводов и совсем маловероятно – выход из строя источника энергии. Могут быть и другие мнения. При постоянно горящей лампочке информации почти никакой, а вариантов еѐ интерпретации масса. Или другая статическая ситуация. На стене висит картина и на неѐ смотрит человек. Это уже не однотонная, как в случае с лампочкой, ситуация. Множество красок, оттенков, полутонов, теней и бликов представляются портретом, пейзажем, натюрмортом или батальной сценой. Человек входит в мир художника и вместе с ним любуется изображением, иногда переживая те же чувства, что и художник при создании картины, не зависимо от времени и пространства, отделяющего этот миг от мига прошлого. Иногда при взгляде на одну и ту же картину у разных зрителей возможно разное восприятие увиденного. Особенно, если это не шедевр живописи, а абстракция. Тогда некий контур и мысль человека сливаются воедино и представляют что-то известное из прошлого. И оживает портрет, дерево или порыв ветра. Информации в художественном произведении много, и результатов еѐ восприятия тоже много. И она здесь в изменении красок, в их сочетании, в расположении на холсте, в пространственном отличии одного места картины от другого. Это была видеоинформация. Аналогичные примеры можно отыскать и в аудиоинформации. Длительно монотонно звучащая нота подобна горящей лампочке. А звучание симфонического оркестра или органа подобно 6 картине. И здесь информация заложена в изменении высоты, силы и продолжительности звуков, в их сочетании, что создаѐт неповторимый тембр, гармонию и одухотворѐнность. Здесь всѐ меняется во времени, но остается чувство целостности музыкального произведения. 1.2. Информация, как сущность Что же такое ИНФОРМАЦИЯ? Информация – понятие довольно загадочное и однозначно не определѐнное. Это идеалистичная категория. Понятие идеалистичное в том смысле, что оно не материально. Это отражение многообразия изменений объектов материального мира. Это осмысление восприятий, их анализ, наряду с уже известным. Это множество вариантов результата анализа в различных ситуациях дальнейшего использования. Это возможность выбора варианта, поиск лучшего из них. Материя в этом процессе выступает как ресурсное обеспечение исходного продукта информационной деятельности. Далее информация «варится» в собственном соку, выступая как средство труда (информационной деятельности), а полученный результат является продуктом труда, является новой информацией. Налицо круговорот информации в духовной сфере. Строгого, устраивающего всех специалистов, понятия этого феномена до сих пор нет. Есть понятийное, утилитарное, описательное, потребительское и другие определения в толковых и специализированных словарях, определения некоторых маститых, уважаемых учѐных. Например, • 1) Объективно существующее свойство материи, заключающееся во внутреннем и внешнем многообразии материальных образований – академик В.И.Сифоров; • 2) Сообщение, осведомление о чѐм-либо – словарь современного литературного языка; • 3) Содержание какого-либо сообщения; сведения о чѐм-либо, рассматриваемые в аспекте их передачи в пространстве и времени – словарь терминов по информатике; • 4) Сведения, являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования – академик А. А. Харкевич. И много других, дающих определение информации с различных точек зрения [ 3, 6 ]: * любые сведения о каких-либо ранее не известных событиях или явлениях; * содержание сигнала либо сообщения; * мера разнообразия; * отражѐнное разнообразие; * сущность, определяющая изменение знаний при получении сообщения; * уменьшаемая неопределѐнность и т. д. 7 Термин «информация» вообще относится к базовым неопределяемым понятиям науки. Американский информатик Т. Сарацевич сказал: «Все недовольны тем, что информационная наука не хочет потрудиться над определением информации… На самом же деле ни одна современная наука не имеет определений своих основных феноменов. В биологических науках нет определения жизни, в медицинских – здоровья, в физике – энергии, в электротехнике – электричества, в ньютоновских законах – противодействия. Это просто основные явления, и эта их первичность и служит им определением». Основоположник кибернетики и информатики Винер писал: «Информация есть информация, а не материя и энергия. Тот материализм, который не признаѐт этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время». В то же время он даѐт «потребительское» понятие информации: «Информация – это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде». Обобщая всѐ это, можно сказать, что информация – это некая субстанция (сущность), заставляющая всѐ живое (растительность, животный мир, человек) и не живое (автоматы, технические средства) размышлять и/или действовать на уровне инстинкта, подсознания или разума. Это сведения об изменениях материального мира, подлежащие обработке, передаче на расстояние, хранению, и служащие для управления в социальной, экономической, политической, технической, культурной, военной и других областях человеческой деятельности. 1.3. Особенности информации В информационных процессах информация выступает в разных качествах. Во-первых, информация как предмет труда, составляющий информационную деятельность [3]. Информационная деятельность – производство информационного продукта и оказание информационных услуг. Виды информационной деятельности: – производство информации, – распределение и распространение информации, – хранение информации, – потребление (восприятие) информации, – оказание информационных услуг (посреднические услуги). С точки зрения использования информации для управления это сведения о состоянии управляемого объекта и его окружении, нормативносправочные материалы, юридические законы и нормы и пр. 8 Во-вторых, информация как средство труда, составляющее информационную технологию. Информационная технология – совокупность способов и приѐмов реализации информационных процессов в различных областях человеческой деятельности при производстве информационного продукта. Информационный процесс – поиск, сбор, накопление, хранение, обработка информации. А также распределение, распространение, представление, восприятие, защита и использование информации. С позиций управления это алгоритмы обработки информации, базы и банки данных, программное обеспечение средств вычислительной техники и АСУ (математическое обеспечение, пакеты прикладных программ и т.д.). В-третьих, информация как продукт труда, составляющий результат информационной деятельности. Информационный продукт – информация, представляющая собой результат деятельности какого-либо лица, либо продукт, обеспечивающий информационную деятельность. Информационный продукт включает в себя: – информацию (данные, знания); – носители информации; – информационные средства, технику; – прочий продукт, обеспечивающий информационную деятельность. С точки зрения управления это исходящая из системы управления информация в виде решений и команд о необходимости воздействия на объект управления с целью достижения каких-либо результатов. И это многообразие форм еѐ представления составляет особенности информации. Идеолог перестройки Александр Николаевич Яковлев говорил [6], что считает философский спор о первичности материи и вторичности сознания схоластичным. По его мнению, в основе всего лежит только информация. И ничего более. Судя по рассмотренным особенностям информации, он прав. Материальные объекты в этом мире выступают как «ресурсное, энергетическое обеспечение информации», как носитель и источник информации. А человеческий мозг (дух) получает, обрабатывает и синтезирует эту информацию. Результат этой обработки осознаѐтся человеком и реализуется вновь в материальном воздействии на объект или субъект, реализуется в управлении. 1.4. Свойства информации Информация обладает рядом замечательных свойств, являющихся стимулом в разработке неких технических систем и определении требований к ним. Во-первых, информация, как правило, возникает в одном месте, а потребляется в другом. Это порождает необходимость иметь некую техническую систему для транспортировки еѐ из одного места в другое. 9 Такой технической системой является информационная транспортная система (ИТС). Но информация передаѐтся из одного места в другое не хаотично, а адресно. Это свойство определяет первое требование к ИТС – доставка сигнала строго в соответствии с адресом. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЁ ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИЯ Распределяется адресно После потребления не исчезает Доставка строго в соответствии с адресом С течением времени стареет Зарождается в одном месте, а потребляется в другом Подвержена действию помех Информационная Транспортная Система (ИТС) Необходимость наличия хранилищ Доставка за минимальное время Необходимость средств защиты от помех ТРЕБОВАНИЯ К ИНФОРМАЦИОННОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЕ Рис. 1.1. Причинно-следственная связь между особенностями информации и требованиями к ИТС. Во-вторых, информация со временем стареет, то есть еѐ ценность для управления уменьшается и даже может обратиться в ноль. Если отрезок времени от получения информации до принятия решения меньше, чем время, необходимое для его выработки решения, то команду для управления выработать нельзя. 10 Возникает второе требование: время доставки информации должно быть минимальным и не должно превышать заданного времени. В-третьих, после потребления информация не исчезает и может быть полезна другому пользователю, может использоваться многократно. Это порождает третье требование: необходимость иметь в составе транспортной системы устройства хранения информации. В-четвѐртых, для принятия правильного решения необходима полная, точная, своевременная информация. Она должна адекватно отражать состояние управляемого объекта и связанных с ним объектов. Однако в процессе транспортировки еѐ информационными сигналами через ИТС на них действуют помехи, приводящие к искажениям. Кроме того, возможен несанкционированный доступ к транспортируемым сигналам и преднамеренное их искажение. Возникает четвѐртое требование: необходимость защиты информации при транспортировке от посторонних помех и несанкционированного доступа. Роль информационной транспортной системы для передачи и адресного распределения информационных сигналов играет телекоммуникацинная система – ТКС Причинно-следственная связь между особенностям информации и требованиями к ТКС представлена на рис.1.1. 1.5. Информация и управление Управление – это работа с информацией и выработка на этой основе управляющего решения для получения желаемого результата. Управляющее воздействие есть реакция на результат обработки информации, полученной от объекта управления. И оно будет близким к оптимальному, если полученная информация будет полной, адекватно отображающей ситуацию, своевременной и достоверной. Отсутствие одной из этих основных характеристик информации приводит к еѐ обесцениванию, к еѐ непригодности для управления. Всѐ, что происходит вокруг нас – это результат управления, воздействия на материальные объекты. При этом сам процесс управления замкнутый. Он начинается с восприятия информации от объекта и заканчивается воздействием на объект, реализуя то или иное решение, полученное в результате обработки и анализа полученной информации. Вот почему любое управление без наличия адекватной, полной, точной и своевременной информации абсурдно. Предположим, что нам необходимо что-нибудь сделать. Построить дом, написать книгу, сходить в магазин и пр. Прежде, чем приступить к исполнению нашего желания, нужно знать о задуманном что-то, иметь информацию о положении дел. И чем более сложная задача стоит перед нами, тем больше мы должны знать. Тем больше должно быть исходных данных, тем более разнообразным должен быть список необходимых знаний (информации). 11 Следовательно, любое дело, требующее реальных материальных и людских затрат, начинается одновременно с информационной деятельностью, с работой над информацией. Надо знать, достаточно ли у нас материальных ресурсов (даже при походе в магазин) на приобретение нужных материалов. Надо быть уверенным в реальной потребности получения конечного результата. Надо знать, как решалась аналогичная проблема в прошлом (если она возникала). Надо знать, как будет использоваться конечный продукт ещѐ не начатого дела. Необходимо оценить хватит ли своих сил на выполнение его, или придѐтся прибегать к наѐмному труду. И ещѐ масса вопросов, связанных с задуманным делом. Это исходная информация, начальный информационный багаж. И чем больше ответов мы получим на поставленные вопросы, чем детальнее будут проработаны все тонкости предстоящего дела. Чем более полную исходную информацию мы будем иметь, тем лучше оно будет выполнено, тем больший эффект и удовлетворение мы получим по завершении его. Любое дело многоэтапно. Решать возникающие проблемы, задачи по ходу его выполнения приходится по мере появления этих задач. И всякий раз, когда появляется необходимость сделать промежуточный шаг, необходимо принять какое-то решение. А, приняв его, нужно исполнить какие-то действия. Наступает время управления. И опять нужно много разной информации. Нужно знать, как довести решение до исполнительного органа. Нужно знать, дошло ли оно до него. Нужно знать, исполнена ли эта команда. Нужно знать, как это исполнение отразилось на ходе самого дела: улучшило ли оно состояние, ход самого дела или ухудшило. Для этого нужно иметь прямые и обратные информационные связи, чтобы можно было оценить правильность принятых решений. В ходе информационной деятельности нужно выбрать информационную технику (с помощью чего это делать) и информационную технологию (как это делать). Задуманное дело и информационная деятельность (информационное дело) идут параллельно, они неразрывны. И от того, насколько полно, вовремя и точно мы получаем оперативную информацию о ходе дела, насколько правильно, тонко, с учѐтом всех обстоятельств принимается то или иное решение, зависит успешное продвижение дела, и тем большим будет эффект по его завершении. Информационная деятельность – это бесконечная, скрупулѐзная работа с информацией. Еѐ транспортировка и обработка техническими средствами, еѐ анализ, оценка и принятие решения о дальнейшем ходе дела или его завершении. А решения, вырабатываемые в ходе информационной деятельности, требующие доведения их до исполнительных органов, и есть управление. Это результат отдельного этапа или завершающий результат работы с информацией, это новая информация. Она вновь является предметом труда 12 на следующем этапе или для следующей стадии информационной деятельности. И решение, полученное на выходе информационной системы, реализуемое исполнительными органами, и есть управление делом. Изменение хода какого-то дела в результате управления, оценка результатов его исполнения – это новая информация, для нового дела или для следующего этапа этого же дела. Итак, информация о ходе какого-либо дела плавно переходит в управление, а последнее – опять в информацию. Информация и управление не разрывные категории. Они две стороны, два неотъемлемых атрибута любого дела, любого производственного процесса в любой сфере человеческой деятельности, в любом объекте живой или неживой природы. Для выработки управляющего решения необходимо наличие оперативной информации о состоянии управляемого и связанного с ним объектов, нормативной информации о допустимых уровнях отклонения контролируемых параметров от установленных значений и о регламентных действиях в сложившейся ситуации, статистической информации о поведении объекта в прошлом, правовой информации. На основе обработки всей этой информации формируется управляющее решение. Чем более полной, точной и своевременной будет информация об объекте управления, чем больше статистической, нормативной, правовой и другого рода информацией мы располагаем, тем наше решение о воздействии на объект будет более адекватным ситуации и будет приближаться к оптимальному. 1.6. Информационные связи в системе производства Любая система производства может быть представлена, по крупному, состоящей из двух подсистем: управляемая подсистема и управляющая подсистема. Первая включает в себя процесс производства и исполнителя, а вторая – управленческий процесс и работника управления (рис. 1.2). Характерно, что управляющая подсистема со всех сторон окружена информационными связями. В неѐ втекает информация из вне о материальных и людских ресурсах на входе системы производства, о результатах производства, о качестве готовой продукции, правовая, статистическая, нормативная и прочая информация. Внешняя информация даѐт возможность оценить такие действия, как: – можно ли начинать производство, достаточно ли ресурсов (материальных и людских) для этого; – соответствует ли качество готового продукта требованиям стандартов, нормативам и желаниям заказчика. Внутри системы производства информация от управляемой подсистемы к управляющей подсистеме даѐт возможность контролировать ход самого процесса производства и управлять им. Внутренняя информация даѐт возможность понять: – как реагирует исполнитель на команды; 13 – изменилось ли качество продукции, и в какую сторону после изменения процесса производства. – есть ли соответствующие материалы для изменения вида или качества продукции и пр. Правовая, нормативная, статистическая, справочная и др. информация (внешняя). СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА Внешние прямые информационные связи Работник управления Внешние обратные информационные связи Управленческий процесс Внутренние информационные связи ОБРАТНЫЕ ПРЯМЫЕ Е УПРАВЛЯЕМАЯ ПОДСИСТЕМА Исполнитель Материальные и людские ресурсы Процесс производства Мешающее действие среды (помехи) Продукция Рис. 1.2. Информация и управление в системе производства На основе обработки и анализа всей этой информации, оценки соответствия параметров и качества полученного продукта, вырабатывается управляющая команда, выносится решение о воздействии на управляемую подсистему, что приводит к улучшению качества продукции и приближения его к стандартам и требованиям заказчика. 14 Процесс производства происходит в присутствии помех (мешающих факторов), действие которых также надо учитывать при управлении. Информацию информационные связи в системе производства и вне еѐ можно классифицировать по следующим признакам. По отношению к функциям управления: – правовая; – учѐтная; – статистическая; – аналитическая; – нормативная; – плановая; – оперативная (оперативно-справочная и оперативно-техническая) По отношения к системе производства: – внешняя (входящая и исходящая); – внутренняя (прямые и обратные информационные связи). По стадии образования: – исходная (первичная), – производная (вторичная). По адекватности отражения ситуации на управляемом объекте и вокруг него: – достоверная (правильная), – ошибочная (не достоверная). По отношению к времени принятия решения: – своевременная, – несвоевременная, – устаревшая. По полноте отражения состояния управляемого объекта: – полная, – недостаточная. По периодичности поступления: – постоянная, – переменная с разной периодичностью (часы, сутки, месяц, год и т.д.). Оптимальное решение можно принять только на основе адекватной, полной, достоверной, своевременной информации, получение которой должны обеспечивать средства доставки информации – телекоммуникационные средства. 1.7. Железнодорожный транспорт, как система производства Транспортный комплекс России включает в себя несколько видов транспорта. Это автомобильный, внутренний водный, воздушный, железнодорожный, морской, трубопроводный. Каждый из них имеет свои особенности и меру востребованности. В общем грузообороте страны они занимают разный вес. Самая большая доля в грузообороте приходится на трубопроводный транспорт. По данным Федеральной службы 15 государственной статистики России распределение объѐма грузооборота между видами транспорта таково: - трубопроводный – 52,3 %; - внутренний водный – 2,0 %; - железнодорожный – 39,4 %; - морской – 1,4 %; - автомобильный – 4,2 %; - авиационный – 0,05 %. Железнодорожный транспорт является приоритетным в транспортном комплексе страны, обеспечивая перевозку основной части различных грузов и пассажиров. Он занимает территорию почти всей страны с Севера от Мурманска на Юг до Новороссийска, с Запада от Санкт-Петербурга на Восток до Владивостока. Наибольшая густота сети наблюдается в европейской еѐ части. В Сибири и на Дальнем Востоке она не значительна. Железные дороги занимают особое положение среди всех видов транспорта благодаря ряду преимуществ перед ними. Это:  быстрота передвижения (высокоскоростное движение);  регулярность и пунктуальность движения во времени;  безопасность перемещения;  комфорт для пассажиров, удобство при поездках;  ѐмкость и вместимость перевозочных средств (вагонов) для любых грузов;  дешевизна перевозок. По отдельным показателям железные дороги могут уступать другим видам транспорта, но по совокупности их, им нет равных. Основной «продукцией» на железнодорожном транспорте является перевозка. Перевозка грузов и пассажиров. Казалось бы, что в силу этого, транспорт не создаѐт нового продукта, он лишь перемещает сырьѐ или готовую продукцию из одной точки пространства в другую. Но в этом и заключается его полезность, так как любое производство не может начаться без наличия сырья, и не может считаться законченным без доставки готовой продукции потребителю. Основным производственным процессом на любом виде транспорта является транспортный процесс. На железнодорожном транспорте он связан с выполнением следующих операций: погрузка, выгрузка, оформление документов, маневровые передвижения, формирование и расформирование поездов, передача и уборка вагонов, передвижения поездов по станциям, участкам, направлением и др., а также с массовой передачей, приѐмом и переработкой информации об указанных операциях (событиях). Из последнего следует, что перевозочный процесс непосредственно связан с информационным процессом, с передачей информации. Перевозочный процесс – сложный, многофункциональный процесс, совершающийся на огромной территории, с вовлечением большого количества сложной техники и большого количества специалистов разной квалификации. 16 И ещѐ одна особенность транспорта. Производственный процесс на любом виде транспорта рассредоточен в пространстве, и часто на значительной территории. Поэтому производственный и управленческий процессы всегда достаточно удалены друг от друга и для обмена информацией между ними нужны надѐжные средства доставки информации на любые расстояния, при любых условиях, в любое время. В процессе производства, на этапе управления все стадии работы управляющей подсистемы связаны с обработкой информации. И это не только вычисления на ЭВМ. Это и моделирование процессов управления, хранение и поиск данных, упорядочение информации по видам и размерности, преобразование еѐ из одной формы представления в другую, передача информации на расстояние, защита от несанкционированного доступа в системе производства и при еѐ передаче, распределение информации. В последних операциях принимают непосредственное участие средства телекоммуникаций, средства связи. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТУХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Путевое хозяйство: строительство, ремонт и содержание (по чему возить?). Локомотивное хозяйство: ремонт и эксплуатация (чем возить?) Вагонное хозяйство: ремонт и эксплуатация (в чѐм возить?) ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ СЛУЖБЫ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СЛУЖБЫ ПЕРЕВОЗКАМИ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ Рис. 1.3. Структура перевозочного процесса Внутренняя структура перевозочного процесса, показанная на рис. 1.3., является достаточно сложной. Основой еѐ является технический комплекс, отвечающий на вопросы: «По чему возить»? Чем возить? В чѐм возить»? Он включает в себя: 17 – путевое хозяйство (рельсы, шпалы, скрепления, земляное полотно, мосты, виадуки, эстакады, путевые и дорожные машины и пр.); – локомотивное хозяйство (грузовые и пассажирские локомотивы, электропоезда и дизельные поезда); – вагонное хозяйство (грузовые и пассажирские вагоны, вагоны специального назначения). Система управления перевозками (рис. 1.4.) отвечает на вопросы: «Как возить? Каким путѐм возить»? и «Что возить? Куда возить? Как взаимодействовать с клиентурой»? Ответ на первые два вопроса обеспечивает административное управление (распоряжения, приказы, предупреждения, письма, руководящие документы и пр.). Ответ на последующие вопросы даѐт система оперативного управления движением на участках (диспетчерское руководство), обеспечивающая оперативный контроль за выполнением графика движения поездов и контроль за безопасностью движения. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗКАМИ Административное Оперативное ЛОГИСТИКА Диспетчерское управление на всех уровнях управление Погрузо-разгрузочные операции. Сопровождение и хранение грузов. Пассажирская логистика Согласование работы всех подразделений (приказы, распоряжения, указания, нормы, запросы и пр.) управление Рис. 1.4. Система управления железнодорожным транспортом Вопросы контроля за перевозимыми грузами, взаимодействия с клиентурой (оформление документов, погрузо-разгрузочные операции, сопровождение и хранение грузов) берѐт на себя логистическая служба (служба управления перевозками грузов и пассажиров). Система обеспечения движения поездов (рис. 1.5). Это энергоснабжение (теплосиловые и электросиловые установки) 18 электроснабжение (тяговая сеть и система тяговых подстанций, сеть питания автоблокировки, сеть обеспечения электроэнергией нетяговых потребителей) и технические средства регулирования движения поездов: сигнализация, централизация, блокировка (СЦБ), технологическая связь (ТС), вычислительная техника (ВТ). С их помощью обеспечивается управление движением (устройства СЦБ), передача управляющей информации (средства связи), автоматизация управления (вычислительная техника) и обеспечение безопасности движения. СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ Энергоснабжение и электроснабжение Т С ПД ОбТС ПД – АСУ ПД - ОТН ОТС ВТ В пределах отрасли, дорог, станций и узлов На станциях с На перегонах Не тяговые потребители СЦ Б Диспетчерские связи всех уровней Электроснабжение Тяга поездов: контактная сеть, тяговые подстанции Электросиловые Теплосиловые Энергетические установки Технические средства управления и обеспечения безопасности движения Рис. 1.4. Система обеспечения движения поездов. Вспомогательные (рис. 1.6.) и поддерживающие (рис.1.7.) службы обеспечивают перевозочный процесс ресурсами (водными, энергетическими, природоохранными, материально-техническими) и следят за сохранностью грузов, безопасностью пассажиров и обслуживающего персонала и пр. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СЛУЖБЫ Водоснабжение и водоотведение Экология и жизнеобеспечение Рис. 1.6. Вспомогательные службы Материально техническое снабжение 19 ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ СЛУЖБЫ Научнотехническая Экономическая Юридическая Управления персоналом Охраны общественного порядка Рис. 1.7. Поддерживающие службы Всѐ это в общей структуре (система управления, системы обеспечения движения, вспомогательные и поддерживающие службы) работает на транспортный комплекс, как основу перевозочного процесса. И для его нормального течения необходимо не только чѐткая работа отдельных составляющих каждой из служб, но и непрерывный контроль хода всего перевозочного процесса. Здесь важна роль управляющей подсистемы, которая не может работать без наличия полной, точной, своевременной и, адекватно отображающей ситуацию, информации о ходе процесса перевозок. Все эти процессы происходят в информационном пространстве, на огромной территории, и без средств доставки информации подсистема управления не сможет контролировать и управлять столь сложным транспортным хозяйством. 1.8. Структура управления железнодорожным транспортом. Система управления железнодорожным транспортом в административном плане представляет собой моноцентрическую, радиальноузловую, иерархическую, четырѐхступенчатую структуру (рис. 1.8). Это значит, что всѐ управление строится на принципах единоначалия и коллегиальности, на подчинении одних работников другим с одним начальником – Президентом открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»). Это принцип единоначалия. Решения же принимаются на коллегии ОАО «РЖД». Это принцип коллегиальности. На второй ступени располагается начальник железной дороги (Управление дороги – УД), как филиала ОАО «РЖД». На третьей ступени располагаются отделения дорог (ОД), а на четвѐртом – структурные подразделения (хозяйственные единицы) по роду деятельности. 20 РЖД УД1 УД3 УД2 ОД ОД ОД ОД ОД ОД ОД ОД ОД Хозяйственные единицы Рис. 1.8. Структура управления Функциональная структура дублирует административную. И в ОАО «РЖД», и в Управлении дорог и отделениях организованы подразделения по роду деятельности: управление движением, управление хозяйством пути, управления вагонным хозяйством, управление хозяйством энергетики и т.п. Каждая из дорог разделена на отделения. Отделение считается основным линейным предприятием отрасли. Производство на железной дороге основывается на законах Российской Федерации, а также на правовых и оперативных документах технического и организационно-распорядительного характера. Хозяйствующим субъектом является ОАО «РЖД», а государственное регулирование и управление осуществляется Федеральным агентством железнодорожного транспорта (ФАЖТ), входящим в Министерство транспорта России [5]. Основным принципом управления на транспорте является единоначалие и подчинение. Административное руководство осуществляется иерархически по территориальному признаку. На первой ступени стоит ОАО "РЖД". Затем – управление дороги (их 17), далее отделения дороги и структурные подразделения (хозяйственные единицы). По производственнотехническому признаку руководство осуществляется иерархически: Департаменты при ОАО "РЖД" по роду деятельности: управление перевозками – ЦД, локомотивное хозяйство – ЦТ, хозяйство пути и искусственных сооружений – ЦП, пассажирское хозяйство – ЦЛ и др. Далее – службы при управлении дорог (служба перевозок Д, локомотивная служба Т, служба пути П, вагонная служба В и пр.) Далее идут отделения со своими отделами и структурные подразделения: дистанция пути ПЧ, локомотивное депо ТЧ, станция ДС, дистанция СЦБ (ШЧ) и др. Сегодня на ряде дорог функции отдельных служб передаются частично или полностью 21 государственным унитарным предприятиям и филиалам дорог без статуса юридического лица. Самим дорогам придан статус федеральных государственных предприятий, а отделениям – статус филиалов этих предприятий. Особенностями управления на транспорте являются: - пространственное размещение взаимодействующих объектов на большой территории и непрерывный процесс работы; - необходимость чѐткого выполнения технологических функций, связанных с безопасностью перевозок; - единоначалие, дисциплинированность, диспетчеризация в управлении перевозочным процессом; - тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев перевозочного процесса. В заключение необходимо отметить, что с транспортом неразрывно связаны средства передачи мысли на расстояние: почта, телеграф, телефон и радио. Работа транспорта и его влияние на развитие общества не достигло бы такого значения, если, соответственно, не совершенствовались и не развивались бы средства связи. 22 ЧАСТЬ 2 ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРОСТРАНСТВО И ЕГО МОДЕЛЬ 2.1. Информационная деятельность Информация всегда содержится в сообщении, как форме еѐ представления, и заложено в изменении его параметров. Например, изменение начертания и места расположения графических символов в текстовом сообщении или в рисунке, изменение силы, тембра, высоты звуков в аудио сообщении, изменение красок в цветном изображении и пр. Информационное сообщение – определѐнным образом оформленная единица, содержащая не только информацию пользователя, но и служебную информацию (заголовок, признак начала, признак конца, атрибуты времени, адрес отправителя, адрес получателя и др.), имеющая законченное логически полное содержание, и требующая ответной реакции получателя. Это форма представления информации, отвечающая на вопрос: «ЧТО»? в нѐм заложено. Это могут быть кратковременные по времени существования мысли аудио сообщения (звуки речи телефонного разговора). Это долговременное содержание, представление чего-либо в видео сообщениях (картины). Это долговременно хранимые мысли (тексты). Это долговременные формализованные мысли, программы, алгоритмы и действия для обработки их на ЭВМ (цифровые потоки, данные) и пр. Информационные сообщения генерируются и утилизируются источниками и потребителями информации. И, если они необходимы только им, то они после утилизации исчезают за ненадобностью или хранятся до востребования. Если же они интересны многим, или предназначены для утилизации другими потребителями, то они должны храниться где-то и быть предоставлены нужному потребителю в нужном месте, в нужном виде и в нужное время. Имея ввиду одно из свойств информации зарождаться в одном месте, а потребляться в другом, нужно транспортировать еѐ между какими-то точками пространства. Сразу же возникают вопросы: ЧЕМ? С ПОМОЩЬЮ ЧЕГО? обеспечить это. Здесь необходима информационная техника, как совокупность технических средств, обеспечивающих работу по доставке информации на любые расстояния и в любое время. Информационная техника – это технические средства (линии связи, коммутационные устройства, хранилища информации и пр.), 23 обеспечивающие работу с информацией (передачу, приѐм, обработку, хранение и т. д.) Вид техники и еѐ объѐм зависят от многих факторов, в том числе и от метода еѐ использования. В зависимости от расстояний между корреспондирующими объектами, объѐма передаваемой информации, требуемого времени доставки или хранения возможно использование разных технических средств. Но в любом случае должно знать: КАК? КАКИМ ОБРАЗОМ? использовать ту или иную технику для получения того или иного удовлетворительного результата. Здесь важна информационная технология, как совокупность способов и приѐмов реализации информационных процессов в различных областях человеческой деятельности при производстве информационного продукта, как описание процедур, технических решений и способов, используемых при работе с информацией, содержащейся в информационных массивах, сообщениях, сигналах. При наличии информационной техники и технологии начинается информационная деятельность, начинается работа с информацией (рис. 2.1). Информационная деятельность, информационный процесс – производство информационного продукта и оказание информационных услуг. Виды информационной деятельности: – производство информации, – распределение и распространение информации, – хранение информации, – потребление (восприятие) информации, – оказание информационных услуг (посреднические услуги). Информационный процесс – поиск, сбор, накопление, хранение, обработка информации. А также распределение, распространение, представление, восприятие, защита и использование информации. Информация Информационное сообщение продукт (предмет труда) Исходный Форма представления исходного продукта Информационная техника Средства работы с исходным продуктом Информационная технология Способы работы с исходным продуктом Информационная деятельность Информационный продукт Процесс работы с исходным продуктом (средство труда) Результат информационной деятельности (продукт труда) Рис. 2.1 Процесс существования информации и работы с ней 24 Из исходной информации возникает новая информация, которая вновь становится предметом труда и всѐ вновь повторяется. Информационная деятельность – процесс замкнутый. Материальные объекты в этом мире выступают как «ресурсное, энергетическое обеспечение информации», как носитель и источник информации. А человеческий мозг (дух) получает, обрабатывает и синтезирует эту информацию [6]. Результат этой обработки осознаѐтся человеком и реализуется вновь в материальном воздействии на объект или субъект, реализуется в управлении. Процесс существования информации и работы с ней замкнутый. Она порождает сама себя и существует вечно. В результате работы с информацией возникает информационный продукт. Это информация, представляющая собой результат деятельности какого-либо лица, либо продукт, обеспечивающий информационную деятельность. Информационный продукт включает в себя: – информацию (данные, знания); – носители информации; – информационные средства, технику и технологию; – прочий продукт, обеспечивающий информационную деятельность. В конечном итоге должен быть получен ответ на вопрос: «КАКОВА ПОЛЬЗА ЧЕЛОВЕКУ И ОБЩЕСТВУ ОТ ИНФОРМАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ»? В результате должен получиться полезный эффект, информационный товар, как информационный продукт, произведѐнный для обмена или продажи, информационная услуга, как предмет продажи, товар, обеспечивающий информационную деятельность (информационные средства и техника, произведѐнные для продажи). Должен быть экономический, социальный, политический и другого рода эффект. В этом суть информатизации, как организационного, социальноэкономического и научно-технического процесса, в основе которого лежит массовое применение информационных и телекоммуникационных средств и технологий во всех сферах деятельности для кардинального улучшения условий труда и качества жизни населения, значительного повышения эффективности всех видов деятельности. 2.2. Модель информационного пространства Информация существует в информационном пространстве, охватывает всѐ живое и неживое в природе. Она обволакивает всѐ, непрерывно меняя свой вид, рождая свои новые формы и побуждая к действию всѐ живое. Она не может существовать обособленно, сама по себе. Она потребляется, она перерабатывается, она рождает ответное действие, она увеличивается и уменьшается, возникает, чтобы потребляться в другом месте. И так непрерывно. Всѐ в мире взаимосвязано. И все процессы, все действия, все явления вызваны реакцией на полученную информацию. Одна из моделей информационного пространства представлена на рис.2.2. 25 По крупному, его можно представить состоящим из трѐх основных частей: – источники и потребители информации – ИПИ или прикладные процессы пользователей – ППП; – протокольно-преобразовательная область – ППО или область взаимодействия – ОВ; – технические средства информационного обмена – ТСИО или физическая среда взаимодействия – ФСВ. Прикладные процессы есть то место, где рождается и утилизируется информация. Это источники и потребители информации, использующие еѐ для получения какой-либо продукции материальной или духовной (деловая активность, производство сырья или готовой продукции, культура, образование, здравоохранение, социальная и политическая активность, духовная жизнь и многое другое). В любой из этих сфер происходит информационный обмен как внутри одного прикладного процесса, так и между разными прикладными процессами. И для его правильного течения, для его успешности нужны единые условия работы на всех ступенях информационного взаимодействия от формы представления, преобразования и контроля до трансляции в нужное место и восприятия информации, для выполнения неких действий, вызванных реакцией на полученную информацию. Все эти действия, все эти преобразования, контроль их выполнения, управление процессом информационного обмена осуществляет протокольнопреобразовательная область или область взаимодействия, являясь связующим звеном между прикладными процессами и физическими средствами информационного обмена, физической средой, в которой может существовать и распространяться информационный сигнал. Информационное пространство – пространство, в котором циркулирует информация, и выполняются операции по передаче, транспортировке, приѐму и хранению информационных сигналов. Его элементами являются: источники и потребители информации (ИПИ) или прикладные процессы (ПП), протокольно-преобразовательная область (ППО) или область взаимодействия (ОВ) и физическая среда (ФС). Информационные сигналы (ОВ) Информационные сообщения ОБЛАСТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Рис. 2.2. Модель информационного пространства ИСТОЧНИКИ И ПОТРЕБИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ (ИПИ) ФИЗИЧЕСКАЯ СРЕДА (ФС) 26 Информационный обмен возможен только тогда, когда на одной физической среде располагаются хотя бы две протокольнопреобразовательных области со своими прикладными процессами. (рис.2.3). Сообщения, выдаваемые одним прикладным процессом, должны быть превращены в информационные сигналы, и вновь превратиться в сообщения на другом конце информационного взаимодействия, для другого прикладного процесса. В реальности на одной физической среде работают множество областей взаимодействия со своими прикладными процессами. ИПИ-2 ОВ-2 ИПИ-1 ОВ-1 ая ческ Физи вие ейст д о м Взаи еда ср Рис. 2.3. Работа прикладных процессов на одной ФС. С этой точки зрения информационное пространство было бы правильнее определить по-другому. ПП Информационные потоки ПП ОВ ОВ ПП ПП ОВ Физическая среда ОВ Рис. 2.4. Информационное пространство Информационной пространство (ИП) – это физическая среда с расположенным на ней множеством областей взаимодействия (ОВ) со 27 своими прикладными процессами (ПП), между которыми циркулируют информационные потоки (рис. 2.4.). Область взаимодействия и прикладные процессы неразрывны и количество пар (ОВ + ПП) не может быть меньше двух: ИП =Ф + n      j j 2 Ф– физическая среда (ФС); φ – область взаимодействия (ОВ); ψ – прикладной процесс (ПП); n – количество источников и потребителей информации на данной территории. Эта модель информационного пространства определяет лишь отдельные обязательные для него элементы, указывает их взаимосвязь и определяет их функции. Даѐт понятие о значении и значимости каждого элемента, представляет информационное пространство в статике. Прикладные процессы могут располагаться вблизи или вдали друг от друга, но области взаимодействия каждого из них, должны опираться на единую для всех физическую среду, где могут существовать и распространяться сигналы, несущие информацию. Это могут быть природные среды (воздух, вода, земля, растительность), или искусственные среды (металл, стекло), по которым могут проходить электромагнитные волны. В любом случае триада: прикладные процессы пользователей (ППП), область взаимодействия (ОВ) и физическая среда взаимодействия (ФСВ) неразрывна, а множество ППП и ОВ на одной физической среде составляет информационное пространство или информационное поле. Особо следует остановиться на протокольно-преобразовательной области, или области взаимодействия. Разнообразие прикладных процессов и физических сред приводит к тому, что процессы преобразования информации, для еѐ восприятия или еѐ трансляции в любое другое место могут иметь разную физическую природу. Но это ни в коем случае не должно отражаться на логике взаимодействия. Все этапы преобразования сообщения от прикладного процесса в информационный сигнал, существующий в физической среде, должны выполняться по единым логическим правилам, по единым стандартам. Иначе будут нарушены основные свойства, характеристики информации: полнота, точность и своевременность и она либо не будет получена в нужном месте вовсе, либо еѐ ценность в месте утилизации будет ничтожно малой. Учитывая многообразие и сложность форм преобразования, их инвариантность, их зависимость и упорядоченность друг относительно друга, следует установить раз и навсегда единые правила их выполнения, использования, интерпретации в разных (штатных и нештатных) ситуациях. 28 Область взаимодействия представляется довольно сложной системой, которая должна работать строго в соответствии с раз и навсегда установленными правилами. Только в этом случае обмен любой информацией, с любой точкой мирового пространства будет возможен. 2.3. Система связи в информационном пространстве Место системы связи в информационном пространстве можно представить в виде одного звена информационной цепи (рис.2.5), которая включает в себя различные этапы работы с информацией. Место сети связи в информационном пространстве • «ЗОЛОТОЕ ЗВЕНО» золотое звено ационны е ин рм фо генерация, утилизация информации ль ная лите телекоммуникац ии преобразование, передача информации ч ис вы хранение, обработка информации т ехника связь рес ур сы 1.1 ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЦЕПИ Рис. 2.5. Звенья одной информационной цепи Это генерация и утилизация информации прикладными процессами пользователей (первое звено), которые являются источниками и потребителями информации. Хранение и обработка информации осуществляется средствами вычислительной техники (третье звено). Здесь производится обработка информации (производятся вычисления) и отправка результатов по запросам потребителей. И, наконец, связующим звеном информационной цепи между информационными ресурсами и вычислительной техникой, выполняющим преобразование и передачу информации на расстояние, является сеть связи (второе, среднее звено). Здесь происходит превращение любого сообщения (аудио, видео, текст, данные и пр.) в информационный сигнал и транспортировка его в любую точку пространства, на любые расстояния, при любых условиях. Система связи (телекоммуникаций) в общем случае представляет собой совокупность организационно-технических средств, пронизывающих всѐ информационное пространство, и соединяющая всѐ информационное пространство воедино. Это поистине золотое звено. Сегодня практически никакое общение людей или автоматов между собой, находящихся на небольшом или значительном расстоянии друг от друга, невозможно представить себе без сети связи. 29 2.4. Информационные сообщения и сигналы В соответствии с общими принципами построения инфокоммуникационной и телекоммуникационной систем (ИКС & ТКС), существуют понятия: информационные сообщения (в рамках ИКС) и информационные сигналы (в рамках ТКС). И те, и другие несут в себе информацию, содержащуюся в изменении каких-либо своих параметров. Информационное сообщение – это, прежде всего, полезная информация пользователя и еѐ специфическое оформление для возможности передачи на расстояние (атрибуты отправителя, адрес, атрибуты получателя, признак начала и конца, дата, время и пр.). Оно может быть передано в оригинальном виде (письмо, открытка) или посредством световых (огни костров), звуковых (бой барабанов, выстрелы из ружей или пушек) сигналов. Эти средства доставки информационных сообщений страдают общими недостатками: можно передавать сообщения ограниченного объѐма, либо время передачи слишком велико, либо ограничена дальность передачи. И только с изобретением электричества и последующим изучением его свойств, люди поняли, каким мощным средством они располагают для передачи информации на любые расстояния с большой скоростью. Но для этого необходимо было обеспечить преобразование информационных сообщений в информационные сигналы и доставить их в любое место пространства. Информационный сигнал – это электромагнитное поле, параметры которого изменяются адекватно с изменением параметров информационного сообщения. Примеры информационных сообщений. Документальное сообщение – текст. Составляется из символов конечного алфавита разного начертания и разного места расположения их на техническом носителе (бумага). Оформляется в виде письменных документов (телеграмма). Аудио-сообщение – звук. Колебания воздуха (звуковое давление), создаваемое голосовым аппаратом человека или музыкальными инструментами. Изменяются сила и частота звука. Оформляются в виде правил общения: приветствие, разговор, прощание. Видео-сообщение – неподвижные изображения. Картины, (чѐрнобелые и цветные), пейзажи, географические карты, чертежи, электрические или структурные схемы, таблицы, фотографии. При этом изменяется цветовая гамма или яркость частей рисунка. Оформляются соответствующими надписями, условной разметкой или сопровождаются пояснительным текстом. Видео-сообщение – подвижные изображения. Художественные или документальные фильмы, репортажи с места событий, познавательные, учебные или анимационные фильмы, видео обзор территорий. Изменяется цветовая гамма, место положения образа или рисунка. Оформляются в виде 30 заголовка, перечня участников, признака окончания (или прощания) и звукового сопровождения. Документальное сообщение – данные. Потоки цифр между вычислительными машинами или ЭВМ и человеком, формализованные сведения о каких-либо процессах. Изменяются начертания цифр из конечного алфавита и их местоположение. Оформляются в виде программных продуктов, документально на техническом носителе (перфоленты, перфокарты, магнитные носители). Преобразование информационных сообщений в информационные сигналы происходит по-разному. Документальные сообщения (тексты, данные) проходят двухступенчатое преобразование: кодирование – модуляция. Аудиосообщения превращаются в сигналы однократным преобразованием через процесс модуляции (электроакустические преобразователи – ЭАП микрофон, телефон). Видео-сообщения сканируются узким лучом света построчно, и отражѐнный от оригинала луч разной интенсивности в зависимости от плотности рисунка преобразуется с помощью фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) в информационный сигнал. В случае подвижных изображений рисунок (сюжет) сканируется несколько раз (обычно 24 – 25) и на приѐме, в силу инерционности органов зрения человека, они сливаются в одну подвижную картину. В результате преобразования сообщения в сигнал между ними могут быть разные отношения. Аудио- и видео-сообщения представляются непрерывной функцией непрерывного времени. И сигналы, их отображающие, тоже есть непрерывные функции непрерывного времени (рис.2.6.). Между сообщением и сигналом существует полное и однозначное соответствие. Полученный сигнал называют аналоговым. Такие сигналы используют в телефонии, радиосвязи, радиовещании. U Рис. 2.6. Аналоговый сигнал t В системах телеизмерения и телеконтроля значения измеряемого параметра (уровень воды, освещѐнность, показания приборов и пр.) берутся через определѐнные отрезки времени. Сигналы в этом случае получаются в 31 виде непрерывной функции дискретного времени (рис.2.7.). Т.е. между сообщением и сигналом имеет место неполное, но однозначное соответствие. Такие сигналы называют дискретизированными. Они используют в системах телеизмерения и телеконтроля. U Рис. 2.7. Дискретизированный сигнал t Δt Δ t = const. В системах телесигнализации параметры сообщения и отображающих их сигналов принимают только определѐнные значения (уровни, кванты) и изменяются произвольно в любой момент времени. Такое преобразование даѐт неполное, но однозначное соответствие (рис.2.8.). Сигнал представляет собой дискретную функцию непрерывного времени. Такие сигналы называются квантованными. U Рис.2.8. Квантованный сигнал t Δt1 Δt2 Δti = var. Δt3 В случае текстовых сообщений и данных после процедур кодирования и модуляции получается сигнал в виде дискретной функции дискретного времени (рис.2.9.). Между сообщением и сигналом имеется полное и однозначное соответствие. Такие сигналы называются дискретными. Это телеграфные сигналы и сигналы данных. . U Уровень «1» Рис 2.9. Дискретный сигнал Уровень «0» t t1 t2 t3 t4 t5 t2 – t1 = t3 – t2 =……. = Δt = const. 32 Полное и однозначное соответствие между сообщением и сигналом имеет место только в двух случаях: в случае аналогового и в случае дискретного сигнала. ЧАСТЬ 3 ИНФОКОММУНИКАЦИОННАЯ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМЫ Набор сервисных. служб, инф. услуг и приложений T T ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА T T Набор сервисных. служб, инф. услуг и приложений T T ИНФОКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА (И.К.С.) = набор сервисных служб, информационных услуг и приложений + Терминалы + ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА (Т,К,С,) Рис. 3.1. Одна из моделей информационного пространства Она обеспечивает обмен информацией между потребителями в любой сфере деятельности. Сами потребители выбирают какую-либо информационную услугу, с помощью терминалов сообщения превращаются в сигналы, которые и транспортируются между оконечными точками по предъявленному адресу. Центральную часть в этом взаимодействии занимает телекоммуникационная система (ТКС), являющаяся составной частью инфокоммуникационной системы (ИКС). ПОТРЕБИТЕЛИ ПОТРЕБИТЕЛИ 3.1. Общие положения При обмене информацией между потребителями, в информационном пространстве (см. рис. 2.1 и 2.2) циркулируют информационные потоки разной мощности, в разных направлениях и в разное время. Они генерируются и утилизируются теми или иными прикладными процессами. Вне зависимости от их содержания эти потоки возникают у потребителей, преобразуются терминалами в информационные сигналы и транспортируются по адресу от одного потребителя к другому (рис. 3.1.). Этот обмен информационными сообщениями обеспечивается инфокоммуникационной системой (ИКС). 34 3.2. Телекоммуникационная система В качестве информационной транспортной системы для передачи информации на расстояние используют телекоммуникационную систему – ТКС. Поскольку информационное сообщение-оригинал не может быть доставлено на расстояние средствами телекоммуникаций, оно должно превратиться на передаче в информационный сигнал, а на приѐме вновь в сообщениие-копию. Следовательно, ТКС представляется собой оригинальную информационную транспортную систему с преобразованием транспортируемой субстанции в процессе транспортировки. И здесь необходимо не только сохранить транспортируемый продукт, не только не допустить его изменения, но и правильно произвести его преобразования из одного вида (информационное сообщение) в другой (информационный сигнал) на передающей и приѐмной сторонах. Здесь важно понять, что в системах связи на приѐме получается сообщение-копия. И от того, как правильно происходит преобразование сообщения-оригинала в информационный сигнал и обратное его преобразование зависит многое. Необходимо не только заботиться о защите информационного сигнала от помех в процессе его транспортировки, не только о том, чтобы не сделать ошибку при адресном распределении, но и адекватно выполнить эти взаимообратные преобразования, как это показано на рис. 3.2. В верхней части рис. 3.2 представлена строка процесса передачи информации от источника к потребителю. Всѐ начинается с появления информации, оформления еѐ в виде информационного сообщения-оригинала и заканчивается получением эффекта от использования сообщения-копии. Здесь же идут взаимообратные преобразования сообщения в сигнал, который транспортируется по адресу через сеть связи. В середине рисунка показана структура взаимодействия элементов сети связи. Передача ведѐтся слева направо при передаче информации от источника к потребителю на примере ведения телефонного разговора. Генерирование и предоставление осуществляется источником сообщения. В роли терминала-преобразователя выступает телефонный аппарат. Передатчик (ПРД) и приѐмник (ПРМ) обеспечивают сопряжение терминала с физической средой. Информационный сигнал транспортируется через сеть связи по предъявленному адресу в присутствии помех. В процессе преобразования и передачи идѐт информационная деятельность. Необходимо так реализовать требования к техническим средствам ТКС, чтобы исключить всякие ошибки в преобразовательных процессах. Важным комплексом в этих процедурах выступает сеть связи, еѐ технические средства. На рис. 3.3. показаны, как технические средства сети связи реализуют требования к ТКС в соответствие со своими функциями в 35 основном процессе транспортировки и адресного распределения информационных сигналов. В транспортировки участвуют электромагнитные направляющие системы (ЭмНС) и каналообразующая аппаратура (КОА), как составные части первичной сети связи. Они создают требуемое множество информационных каналов и обеспечивают доставку сигналов на любые расстояния за минимальное время. Они же обеспечивают эффективное использование ЭмНС, как наиболее дорогостоящего элемента сети связи, путѐм разделения каналов и мультиплексирования их в одной направляющей системе. Процедура адресного распределения сигналов, защиты их от помех и несанкционированного доступа и хранения информации ложится на вторичные сети. В них основным техническим средством являются узлы коммутации. Функции хранения информации и информационной защиты берут на себя средства вычислительной техники. Информация в этом процессе продолжает выступать в своих разновидностях (предмет труда, средство труда, продукт труда), а материальный еѐ носитель – информационный сигнал претерпевает различного рода преобразования и сторонние возмущения, при которых может получить нежелательные изменения. Сложность состоит в том, что необходимо строго следить не только за информационными изменениями параметров сигнала, но и за искажениями самого переносчика. Генерирование--Представление—Преобразование--Транспортировка--Адресное назначение--Преобразование--Потребление--Получение эффекта Сообщение- оригинал Информационный сигнал Сообщение- копия Источник помех Источник сообщения ПРД Адресный маршрут передачи сигнала ПРМ Потребитель сообщения Передающая сторона Транспортировка и адресное Приѐмная сторона распределение информации Источник------- Форма --------------- Цель ----- Средства ------ Процесс ---- Результат ---------- Форма -------- Потребитель информации представления труда труда труда труда представления информации информации информации (оригинал) (информационная деятельность) (копия) Процесс подготовки к передаче Процесс движения информации, работы над ней и работы с ней Процесс потребления Рис. 3.2. Путь информации от источника к потребителю и этапы еѐ изменения для получения эффекта от использования Выше (см. раздел 1.4) на основе свойств и особенностей информации были сформулированы требования к ТКС. На рисунке 2.7. показаны технические средства сети связи и вычислительного комплекса, реализующие эти требования в соответствие со своим функциональным назначением в процессе транспортировки и адресного распределения информационных сигналов, в формировании информационных потоков. В транспортировке информационных сигналов участвует первичная сеть связи (ПСС). Основными техническими средствами здесь являются: – электромагнитные направляющие системы (ЭмНС) или линии связи; – каналообразующая аппаратура (КОА) или системы передачи. Они создают множество стандартных информационных каналов на некоторой территории и обеспечивают доставку сигналов на любые расстояния за минимальное время. Здесь важно выбрать тип направляющей системы (металлический провод, оптическое волокно, эфир) и обеспечить поддержание необходимого уровня сигнала (усилители, регенераторы). Наиболее дорогостоящим в сети связи является линейное хозяйство в силу большой его протяжѐнности и наличия в нѐм дорогостоящих компонент (медь, алюминий, оптическое волокно). Необходимо позаботиться об эффективности его использования. Это основная задача КОА. Выгодным будет использование одной направляющей системы для организации на ней нескольких информационных каналов. Для этого нужно сначала разделить сигналы от разных источников по какому-либо параметру, а затем объединить (мультиплексировать) их в одной ЭмНС. Вторичные сети связи (ВСС) берут на себя функции адресного распределения сигналов и защиты их от действия посторонних помех. Техническими средствами адресного распределения выступают коммутаторы (серверы, маршрутизаторы), расположенные в узловых точках сети. Здесь важно грамотно построить базовую сеть, выбрав необходимую топологию. От этого зависит многое: надѐжность работы, время доставки информационного сигнала, качество передачи и др. Кроме того, нужно обоснованно предложить сетевую технологию, так как она будет влиять на характеристики сети (стоимость строительства и эксплуатации, возможность диалога, противостояние перегрузкам и пр.). Способов защиты от ошибок к настоящему времени разработано достаточно много. И выбор какого-то из них тоже не простая задача. Функции хранения информации, выдачи еѐ по запросам и обеспечения информационной безопасности берѐт на себя вычислительный комплекс. Технические средства транспортировки и адресного распределения информационных сигналов ТРАНСПОРТИРОВКА Электромагнитные направляющие системы (ЭмНС) Каналообразующая аппаратура (КОА) ПСС ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ФУНКЦИИ Доставка сигналов на любые расстояния за минимальное время Эффективное использование ЭМнС (разделение и мультиплексирование каналов) АДРЕСНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАЩИТА Узлы коммутации (топология; сетевые технологии) Устройства защиты от ошибок (УЗО). ВСС ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ФУНКЦИИ Коммутация и маршрутизация Повышение верности передачи (ПВП). Базы данных Хранение информации и выдача по запросу Средства информационной защиты Обеспечение безопасности телекоммуникационных систем (БТС). Рис. 3.3. Реализация требований к ТКС техническими средствами первичной и вторичных сетей связи ВК 39 3.3. Модель телекоммуникационной систем и её структура Телекоммуникационная система (ТКС) – это сложная организационнотехническая система, обеспечивающая обмен информационными сигналами между своими окончаниями (портами) на некоторой территории. В общем виде ТКС можно представить как некую сферу (рис. 3.4.), внутри которой расположена сетевая платформа и сопутствующие ей системы, а на поверхности – сетевые окончания (порты) для возможности доступа потребителям к еѐ услугам. Сетевые окончания СУККФ ВС Сетевая платформа СОП СП Рис. 3.4. Модель телекоммуникационной системы Это транспортная система, которая с помощью своих специфических технических средств переносит информационные сигналы по заданному адресу. Она имеет много общего с любой транспортной системой, а потому структурно может быть представлена совокупностью технических средств (сетевая платформа), системы управления, системы обеспечения передачи, поддерживающей и вспомогательной систем (рис. 3.5.). Сетевая платформа (сеть связи) – это технический комплекс, обеспечивающий выполнение главной задачи ТКС – переноса и распределения сигналов. Это еѐ основа, пронизывающая всѐ информационное пространство, подобно нервной системе в организме человека. 40 Для переноса информационных сигналов из одного места пространства в другое нужна физическая среда, в которой мог бы существовать и распространяться сигнал. Это электромагнитные направляющие системы ЭмНС (линии связи) искусственные (металлический провод, оптическое волокно) или естественные (эфир). Для обеспечения нужной дальности передачи и эффективного использования линий связи служит каналообразующая аппаратура (КОА) или, как еѐ ещѐ называют системы передачи. Учитывая, что сигналы при передаче по линиям связи ослабевают и искажаются (изменяется их уровень и форма), их надо восстанавливать (усилители и регенераторы). Они входят в состав КОА. Этим и обеспечивается и требуемая дальность связи. Эффективность использования ЭмНС достигается в КОА путѐм мультиплексирования – организации нескольких информационных каналов по одной паре проводов. И, наконец, для адресного распределения сигналов служат узлы коммутации (УК). Они обеспечивают организацию маршрутов (путей) передачи сигналов по адресному признаку и эффективное использование информационных каналов на ветвях сети (управление потоками, выравнивание загрузки ветвей). В целом телекоммуникационная система едина и неделима. Однако, в силу большой сложности и рассредоточенности в пространстве, рассмотрение еѐ ведѐтся по частям. За работой такой сложной системой нужен непрерывный контроль и управление еѐ работой. Поэтому вокруг сетевой платформы формируется несколько систем разного назначения. Во-первых, система управления и контроля качества функционирования (СККФ). Она обеспечивает слежение за работой ТКС в целом, за правильностью выполнения ею всех физических и логических процедур в штатных и нештатных ситуациях. Здесь осуществляется управление техническими средствами и потоками в сети связи (управление сетью связи – УСС). Здесь выполняются операции по эксплуатации и ремонту оборудования (техническая эксплуатация и ремонт – ТЭР). Здесь проводится непрерывный контроль (мониторинг) качества работы отдельных технических средств и системы в целом, а также административное руководство и управление (мониторинг и администрирование – МА). Во-вторых, для обеспечения передачи в ТКС необходимы некоторые дополнительные устройства и организационно-технические мероприятия, выполняемые системой обеспечения передачи (СОП). Это измерительный комплекс (ИК), электропитание устройств связи (ЭПУС), обеспечивающее работу систем передачи, измерительного комплекса, узлов коммутации. Это защита от помех (ЗП), вызванных действием посторонних электромагнитных полей на передаваемые сигналы, 41 и защита от несанкционированного (преднамеренного искажения информации) доступа (ЗНД). Эти три основных системы: сетевая платформа (СП), система управления и контроля качества функционирования (СККФ) и система обеспечения передачи (СОП) составляют ядро ТКС. Однако в сложной организационно-технической структуре нельзя перечислить все технические средства и организационные мероприятия и процессы и указать точно их место. Поэтому вводят класс поддерживающих и вспомогательных процедур Они выполняют множество по назначению и важности процедур. Вот некоторые из них. Системы поддержки:  юридическая и правовая поддержка (ЮПП);  экономика и бухгалтерский учѐт (ЭБУ);  маркетинг (М);  обеспечение научно-технической информацией (НТИ) и др. Вспомогательные системы:  обеспечение безопасности работы персонала (ОБ);  капитальное строительство зданий и сооружений (КПС);  модернизация и развитие (МР);  трудовые ресурсы и подготовка кадров (ТР и ПК) и др. Весь этот комплекс технических и организационных средств обеспечивает услуги связи, как продукт деятельности по передаче, обработке приѐму информационных сигналов. Примерами услуг связи (телекоммуникационных услуг) могут быть: – установление соединения между абонентами (сетевыми окончаниями); – использование возможностей IP-сетей; – передача сигналов любого вида (электронная копия звуков, текста, изображений, цифровых массивов и пр.); Каналообразующая аппаратура (системы передачи) Электромагнитные направляющие системы СЕТЕВАЯ Электропитание СИСТЕМА Рис. 3.5. ПЛАТФОРМА Измерительный комплекс устройств связи Узлы коммутации Защита от посторонних э/м полей ОБЕСПЕЧЕНИЯ (СОП) Структура Защита от несанкционированного доступа ПЕРЕДАЧИ телекоммуникационной системы СИСТЕМЫ Юридическая поддержка Экономическ. поддержка ПЛАТФОРМА ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ (ПС) Капитальное строительство Развитие СЕТЕВАЯ Техническая эксплуатация и ремонт Научно-техн. информация Мониторинг и администрирование Маркетинг Трудовые ресурсы Управление сетью связи Безопасность ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ (ВС) СИСТЕМЫ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ (СУККФ) оставление дополнительных видов обслуживания (ДВО – переадресация, уведомление о новом вызове, подключение третьего абонента, сокращѐнный набор номера и пр.). 3.4. Инфокоммуникационная система и её модель. Для удобства получения пользователями услуг сети связи к сетевым окончаниям ТКС подключаются терминалы (см. рис. 3.1). Они могут быть специализированные, для работы с сообщениями одного вида (телефонные, телеграфные аппараты или аппаратура передачи данных), а также универсальными. Через них потребители могут получать удалѐнные информационные услуги, ориентированные на удовлетворения своих информационных потребностей путѐм предоставления информационных продуктов (служб или приложений). Полученная через терминалы информация даѐт возможность выработать оптимальное решение по управлению каким-либо объектом. Примерами информационных услуг (инфокоммуникационных услуг) могут быть: – поиск информации с использованием Internet; – обработка информации (квалифицированный перевод текста на иностранный язык в реальном времени, сложные вычисления и пр.); – хранение информации и выдача документов по запросу (базы данных); – услуги доступа к АСУ и банкам данных; – консультационные услуги; – посреднические услуги (заказ и покупка товаров по телефону и др.). Совокупность средств доставки, адресного распределения информационных сигналов и набора информационных услуг даѐт основание построить модель инфокоммуникационной системы, как информационного пространства, в виде трѐх, вложенных друг в друга, расширяющихся сфер (рис. 3.6.). Рис. 3.6. Модель инфокоммуникационной системы 44 Внутреннюю сферу отождествляют со средствами транспортировки информационных сигналов и называют первичной сетью. Еѐ «расширение» (улучшение качества передачи и мощности оборудования) ведѐтся за счѐт перехода от линий связи с металлическими проводами к волоконнооптическим ЭмНС и замены аналоговых систем передачи на цифровые системы передачи. Это даѐт возможность увеличить количество стандартных информационных каналов на два порядка (приблизительно) и повышает качество передачи – на три порядка (приблизительно). Охватывающая ядро вторая сфера, отождествляется со средствами распределения сигналов в ТКС (вторичные сети связи). «Расширение» еѐ идѐт за счѐт освоения новых сетевых технологий и модернизации коммутационного оборудования. Последнее позволяет резко сократить энергопотребление и уменьшить габариты аппаратуры. Внешняя сфера, поглощающая две предыдущих, включает в себя сервисные службы, приложения и набор информационных услуг. «Расширение» еѐ идѐт за счѐт увеличения номенклатуры и повышения качества предоставляемых информационных услуг. Рассмотренная модель инфокоммуникационной системы (ИКС) может интерпретироваться как одна из моделей информационного пространства наряду с рассмотренными ранее (см. рис. 2.1. и 3.1.). И в любом из этих случаев она представляет собой симбиоз информационных и коммуникационных услуг. Это открывает новые возможности в совершенно разных областях деятельности. При этом информационные услуги, вопервых, поддерживаются средствами ТКС, и, во-вторых, они дают возможность включить по требованию пользователей новые виды информационного обслуживания (поиск, обработка, сравнительная оценка информации, принятие оптимального решения и пр.). Здесь можно говорить о синергетическом (совместном) эффекте, порождаемом сотрудничеством информационных и коммуникационных систем. Индустрия информации и индустрия коммуникаций сливаются воедино, порождают инфокоммуникационную индустрию, инфокоммуникационную систему (рис. 3.7.). При этом эффект от совместного действия двух компонентов существенно превышает суммарный эффект при раздельном их действии: Э (x + y) >> Э (x) + Э (y) Синергетика (совместное действие чего-либо в одном направлении) проявляется здесь в том, что рост спроса на информационные услуги стимулирует развитие сетей связи. В то же время, увеличение пропускных способностей, функциональных возможностей и повышение качества передачи сигналов в сетях связи позволяет получить новые виды информационного обслуживания. 45 Информационная индустрия Информационная система Индустрия коммуникаций Коммуникационная система Информационные услуги – услуги по Коммуникационные услуги – услуги по переносу и предоставлению информации для еѐ обработки, потребления и хранения. адресному распределению информационных сигналов. Инфокоммуникационные услуги – услуги по обмену Инфокоммуникационная система информационными сообщениями на расстоянии между любыми точками пространства, в любое время, в любых условиях. Синергетический эффект: Э (ИУ + КУ) > Э (ИУ) + Э (КУ) Рис. 3.7. Получение инфокоммуникационных услуг Следовательно, синергетические процессы в инфокоммуникационной сфере позволяют повысить доходы от предоставляемых услуг, сформировать рынок новых услуг и увеличить разнообразие спроса на разные виды обслуживания. Эти явления проявляются во всех сферах деятельности: в социальной, промышленной, военной, экономической, политической, научной и др. 46 3.5. Сеть связи. Её особенности, построение и топология 3.5.1. Понятие о сети и её элементах. Технические средства сетевой платформы начинают работать в соответствии с общей стратегии обеспечения транспортировки и адресного распределения информационных сигналов только тогда, когда они определѐнным образом объединены в сеть связи. Организационная структура сети связи показана на рис. 3.8. Основным распределительным устройством в сети связи являются узлы коммутации (УК). Они, как правило, располагаются в тех точках информационного пространства, в которых сосредоточено множество пользователей и через которые проходят мощные информационные потоки. Узлы коммутации объединяются в одну структуру с помощью соединительных линий (С. Л). Вокруг каждого узла сосредоточено множество пользователей (абонентов). От УК до сетевого порта, к которому подключаются абоненты, сигналы поступают через абонентские линии (а. л). Узлы коммутации и объединяющие их соединительные линии образуют базовую сеть, которая обеспечивает распределение информационных сигналов по всей территории. При построении базовой сети очень важно правильно выбрать нужный способ соединения узловых точек между собой в географическом плане. От этого завися многие характеристики сети: надѐжность работы, время доставки сигналов, стоимость строительства и др. Абонентские линии расходятся от УК радиально и образуют с узлом терминальную сеть или сеть абонентского доступа. Каждая из них заканчивается сетевым портом. Между сетевыми портами разных узлов коммутации по предъявленному адресу через УК и СЛ организуются маршруты, по которым передаются информационные потоки. С точки зрения получения конечного продукта сеть связи едина и неделима. Однако, с точки зрения выполняемых при этом функций, еѐ делят на первичную сеть связи (ПСС – транспортировка сигналов) и вторичную сеть связи (ВСС – адресное распределения сигналов). Первичная сеть связи – это сложная организационно-техническая система, которая обеспечивает на некоторой территории получение множества стандартных информационных каналов. Стандартный информационный канал представляет собой совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих передавать любые сигналы на требуемое расстояние. Они бывают аналоговые и цифровые. Основной характеристикой стандартного аналогового канал (канал тональной частоты – ТЧ) является полоса частот ΔF = 300 – 3400 Гц. ТЕРМИНАЛЬНАЯ СЕТЬ 1 ТЕРМИНАЛЬНАЯ СЕТЬ 3 С.Л . 1 Условные обозначения: Абонентская линия Соединительная . Линия Сетевой порт (окончание) 3 С.Л. С.Л. БАЗОВАЯ БАЗОВАЯ 5 С.Л. С.Л. СЕТЬ 4 С.Л. ТЕРМИНАЛЬНАЯ СЕТЬ 5 ТЕРМИНАЛЬНАЯ СЕТЬ 4 2 ТЕРМИНАЛЬНАЯ СЕТЬ 2 Рис.3.8. Организационная структура сети связи 48 3.5.2. Первичные и вторичные сети связи и их взаимодействие Основной характеристикой стандартного цифрового канала является скорость передачи V = 64 Кбит/с. Первичная сеть связи состоит из следующих основных технических средств: – электромагнитные направляющие системы (ЭмНС – линии связи), в качестве которых используются воздушные линии связи (ВЛС), кабельные линии связи с металлическими жилами (КЛС) или волоконно-оптическими жилами (ВОК), эфир; – каналообразующая аппаратура (КОА – системы передачи). Они могут быть аналоговыми (АСП), цифровыми (ЦСП) и волоконнооптическими (ВСП). Вторичная сеть включает в себя узлы коммутации (УК), соединительные линии между ними (СЛ), абонентские линии (ал) от УК к сетевым портам (СП). Первичная сеть связи всегда одна. Вторичных сетей – несколько. Их количество определяется видом передаваемых сообщений. Например, сеть для передачи речи (вторичная телефонная сеть), сеть для передачи текста (вторичная телеграфная сеть), сеть для передачи неподвижных изображений, карт, рисунков, таблиц, фотографий (вторичная факсимильная сеть), сеть для передачи цифровых потоков между ЭВМ (вторичная сеть передачи данных) и пр. Исходя из этого сеть, связи может быть представлена следующей мнемонической строчкой: ПСС ВСС СЛ + УК + ал СЕТЬ СВЯЗИ = ЭмНС + КОА + СЛ + УК + ал ------------------СЛ + УК + ал БС ТС 49 Каждая вторичная сеть связи имеет свои узлы коммутации, свои соединительные и абонентские линии. Узлы коммутации со своими соединительными линиями образуют базовую сеть (БС). Она одна. Узлы коммутации и абонентские линии образуют терминальные сети (ТС). Их количество определяется числом узловых точек в ВСС. Соотношение между первичной и вторичными сетями и базовой и терминальными сетями в общей структуре сети связи может быть отображено и графически (рис. 3.9.). Первичная сеть связи может иметь одну конфигурацию, а вторичные сети – другую. Принцип взаимодействия нескольких вторичных сетей связи с разной топологией и одной первичной сетью связи (наложения ВСС на ПСС) показан на рис 3.10. СЕТЬ СВЯЗИ ПЕРВИЧНАЯ Вторичная 1 Вторичная 3 Вторичная 2 Базовая Терминальная Базовая Базовая Терминальная Терминальная Терминальная Терминальная Терминальная Рис. 3.9. Причинно-следственные связи между ПСС и ВСС 50 ВСС 1 ВСС 2 ВСС 3 МОСТИКОВАЯ ПОЛНОСВЯЗАЯ КОЛЬЦЕВАЯ ВТОРИЧНЫЕ СЕТИ СВЯЗИ (ВСС) С РАЗНЫМИ ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ СУ СУ СУ1 Первичная (ПСС) сеть связи СУ Рис. 3.10. Наложение вторичных сетей связи на одну первичную сеть связи. Выделение части канальной мощности из первичной сети для нужд данного узла осуществляется через сетевой узел (СУ). Далее распределение выделенных каналов по вторичным сетям производится через сетевые станции (СС). Все узлы коммутации в данной точке подключаются к одной сетевой станции. В сетевых узлах ПСС выполняется постоянная (кроссовая) коммутация, а в узлах коммутации каждой вторичной сети – оперативная коммутация по адресному признаку. 3.6 ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ СЕТЕЙ С ВЯЗИ 3.6.1. Понятие структуры. При изучении различного рода объектов вводят понятие структуры, пытаясь тем самым как-то помочь глубже, всесторонне понять суть этого объекта. В то же время, само понятие структуры достаточно сложное, многогранное, определяющее объект с разных сторон. Физическая структура определяет физические составляющие объекта, его элементы и их сущность, взаимосвязь этих элементов. Это понятие отвечает на вопрос ЧТО это такое, ЧТО представляет собой объект, из каких деталей он состоит, каковы агрегатные состояния этих деталей и их взаимосвязь. 51 Если объект географически масштабный, то необходимо говорить о топологической структуре. Этим определяется географическое расположение частей объекта в пространстве. Разные объекты одной и той же природы могут отличаться не только количеством элементов, деталей, но и при одинаковом их числе, различным расположение друг относительно друга, различным способом соединения друг с другом. Это даѐт возможность найти различия между объектами в географическом плане. Понятие топологической структуры отвечает на вопрос ГДЕ расположены части объекта или сами объекты, КАК они связаны между собой, безотносительно к физической сущности каждого из них. Это понятие несѐт в себе больше абстракции, чем понятие физической структуры. Элементы, части объекта, сами объекты представляются точками в пространстве или на географической карте (листе бумаги) в масштабе. Физическая сущность частей объекта или самих объектов не принимается во внимание. Возможны и другие типы структур: логическая, информационная, организационная, экономическая и пр. Они используются как инструмент анализа объектов окружающего мира с других сторон, как стремление более глубоко проникнуть в суть объектов, разобраться детально в процессах, протекающих в них. С учѐтом вышесказанного рассмотрим разновидности топологических структур сети связи. 3.6.2. Разновидности структур сетей связи Существует несколько классических топологических структур (рис.3.11.). Полносвязная структура (ПС, топология «каждый с каждым», рис. 3.11.,а) строится так, что каждый узел имеет связи со всеми другими узлами, т. е. количество пучков каналов в сети с увеличением еѐ размерности резко возрастает. Это не экономично, особенно в больших сетях (когда число узлов N велико), на большой территории. Но полносвязная сеть очень надѐжна, так как обладает самой большой связностью из всех классических структур (k = N –1). Выход из строя любой ветви не приведѐт к потере работоспособности сети, так как в ней можно организовать множество обходных маршрутов. С учѐтом этого, сети полносвязной топологии применяются при небольшом числе узлов или на ограниченной территории. Радиальная сеть (РС – топология типа «звезда», рис. 3.9., б) является самой экономичной структурой с точки зрения потребного числа пучков каналов (n = N – 1) . Но она обладает малой надѐжностью, так как связность еѐ равна 1, и обрыв одного любого луча лишат один из узлов связи с другими. Кроме того, выход из строя центрального узла полностью парализует всю сеть. По такому принципу строятся местные телефонные сети, станционная диспетчерская и стрелочная связь. На больших территориях эта структура не применяется. Радиально-узловая сеть (РУС, топология типа «пирамида», рис. 3.11, в) строится по иерархическому принципу, когда узлы низшей ступени 52 подчиняются узлам высшей ступени иерархии. На рис. 3.11,в узел 1 1 подчиняет себе узлы с индексом 2 (12, 22, 32 ), они, в свою очередь, подчиняют себе узлы с индексом 3 (13, 23, 33, и т.д.). Она имеет лучшие, чем радиальная надежностные характеристики, и лучшие, чем полносвязная, экономические характеристики.. Хорошо согласуется с построением системы управления железнодорожного транспорта (см. рис. 1.9) и поэтому а) б) 2 1 4 4 3 3 1 2 6 5 6 7 5 11 с в я з н2 ы м 32 12 2 k 4 5 6 в) с Рис. 3.11. Классические топологические структуры в я з применяется для организации магистральных и дорожных связей в н системе административного управления. ы Помимо упомянутых классических топологических структур, находят м применение и их разновидности и комбинации (рис. 3.12.). 13 23 33 3 3 3 53 а) 1 2 3 4 5 5 1 1 2 4 7 2 5 4 3 3 6 8 б) в) Рис. 3.12. Производные топологические структуры На железнодорожном транспорте часто применяют линейные структуры (ЛС, топология типа «шина», рис. 3.2., а), которые используются для построения диспетчерских связей на участке и в локальных сетях административных зданий или на территории замкнутых технологических производств. В локальных сетях часто применяют кольцевую сеть (КС, топология типа «замкнутое кольцо», рис. 3.12.,б) или древовидную структуру (ДС, топология типа «дерево», рис. 3.12.,в). Все эти сети имеют малую связность (k = 1) и поэтому не очень надѐжны. Имеются ещѐ решѐтчатые и сотовые структуры, обладающие большой живучестью и способностью к быстрому развѐртыванию и свѐртыванию. 54 ЧАСТЬ 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТЕЙ 4.1. Общие положения моделирования При анализе и синтезе таких сложных структур, как сети связи, прибегают к моделированию, т.е. к представлению объектов в виде математических, графических, логических и других видов моделей. Математическая модель – приближѐнное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики, мощный метод познания внешнего мира, а также прогнозирования и управления. Весь процесс математического моделирования можно разделить на четыре этапа. Первый этап – формулирование законов, связывающих основные объекты модели. Завершается этап записью в математических терминах сформулированных качественных представлений о связях между объектами модели. Второй этап – исследование математических задач, к которым приводит математическая модель. Здесь важную роль играет математический аппарат, необходимый для анализа математической модели и вычислительная техника, как мощное средство для получения количественных результатов. Третий этап – выяснение того, насколько принятая модель удовлетворяет требованиям практики, согласуются ли результаты наблюдений с теоретическими следствиями модели. Четвѐртый этап – последующий анализ модели в связи с накоплением данных об изучаемых явлениях и модернизация модели. В процессе проектирования сетей связи, а также в процессе их эксплуатации возникают многочисленные задачи оценки и расчѐта их различных характеристик. К числу таких задач относятся: выбор наиболее экономичной топологии, расчѐт структурной надѐжности, расчѐт ѐмкости пучков каналов по направлениям, разработка системы управления информационными потоками и др. При решении этих задач применяется математический аппарат теории графов и матриц в сочетании с теориями множеств, случайных процессов, массового обслуживания и др. 55 4.2. Сети и графы При рассмотрении сути построения сетей часто прибегают к графическому и аналитическому моделированию, т. е. к представлению их некими геометрическими фигурами или аналитическими выражениями, используя теорию графов и матриц (геометрия и линейная алгебра). При решении топологических задач часто приходится обращаться к геометрическим построениям. С этих позиций сети связи представляют в виде некоторого графа G(A,B), в котором A = {a1, a2, a3, … am } – множество вершин графа, отождествляемых с узлами сети, а B = {β1i , β2i , β3i , … βmi } –множество линий (ветвей), соединяющих вершины и отождествляемых с соединительными линиями (пучками каналов) между ними. Линии между вершинами называются дугами или рѐбрами в зависимости от наличия или отсутствия указания об их направлении. На рис. 4.1. показана модель некоторой сети в виде графа, имеющего восемь вершин и десять ветвей, из которых две имеют направление (это дуги), а на остальных направление не указано стрелкой (это рѐбра). Графы, имеющие только дуги (в реальной ситуации это соответствует однонаправленным каналам между узлами сети), называют ориентированными. Графы, в которых имеются только рѐбра (это двунаправленные каналы связи между узлами), называют неориентированными. При наличии в графе дуг и рѐбер имеет место смешанный граф. Вершины считаются смежными, если в G существует ветвь βij (дуга или ребро), примыкающее (инцидентное) к узлам аi и aj. Число ветвей, инцидентных одной вершине, называют степенью вершины и обозначают P(ai ). На рис.1.7 P (a1 ) = 2, … Р (а5 ) = 3, … Р (а8 ) = 1. Вершины, степень которых равна единице, называют тупиковыми. Через такие узлы сети нельзя проложить транзитные маршруты. На рис. 4.1 это вершина а8 . 7 1 3 8 2 4 5 6 Рис. 4.1. Полный смешанный граф. 56 В зависимости от наличия вершин и ветвей и соотношений их между собой различают понятия: полный граф, подграф, частичный граф, однородный граф и нуль-граф. Полный граф – это такой граф, который адекватно отображает реальную сеть связи в соответствующем масштабе (например, рис.4.2). Подграф – это производная фигура от полного графа, из которого удалено часть вершин и инцидентных им ветвей. На рис.4.2 из полного графа удалена вершина а8 и ветвь β48 . 7 1 3 2 4 5 6 Рис.4.2. Подграф полного графа Частичный граф – это производная от графа фигура, в которой сохранены все вершины, но удалено часть ветвей. На рис.4.3 из подграфа удалена ветвь β36 . 7 1 3 2 4 5 6 Рис.4.3. Частичный граф подграфа. Однородный граф – это граф, степень вершин в котором одинакова, т.е. Р(а1 ) = Р (а2 ) = Р (а3 ) = …. = const. На рис.4.4 однородный граф получен из частичного графа удалением ветви β35 . Степень всех вершин равна двум, ориентация ветвей отсутствует. 57 7 1 3 2 4 5 6 Рис.4.4. Однородный неориентированный граф. Нуль-граф – это граф в котором отсутствует множество ветвей В = {0} (ветвей нет), или, что то же самое, это однородный граф, в котором степень всех вершин равна нулю Р(а1 ) = Р (а2 ) = Р (а3 ) = … = 0. На рис. 4.5 нульграф получен из полного смешанного графа рис.4.1 удалением всех ветвей. 7 1 3 8 2 4 5 6 Рис.4.5. Нуль-граф. Чтобы получить новый полный граф, эти вершины можно соединить уже по-другому. Например, так, как это показано на рис.4.6. Этот граф уже неориентированный и соединения между его вершинами не такие, какие у графа рис.4.1. 7 1 3 8 2 4 5 6 Рис.4.6.. Неориентированный полный граф 58 4.3. Графы и матрицы Любое взаимоотношение вершин графа может быть отображено некоторой матрицей – таблицей из «n» строк и «m» столбцов. Обычно говорят «матрица размерностью «n × m». Матрица адекватно представляет любые изменения графов, а, следовательно, может служить аналитической моделью сети связи. Все матрицы, отображающие те или иные формы и свойства графов, квадратные (n = m) размерность их обозначается одной буквой. Например, «квадратная матрица размерностью N» где N – количество вершин графа (узлов сети). Если матрица отображает лишь взаимосвязь вершин (смежные, несмежные; с учѐтом или без учѐта их направленности), то еѐ вхождениями будут логические переменные: «1» или буквенное обозначение, либо «0». Если в матрице отражаются не только взаимосвязи, но и приводятся какие-либо характеристики ветвей (размеченные графы): длина, надѐжность, стоимость и пр., то вхождениями являются числовые переменные. В первом случае при операциях над матрицами, или связанными с ними определителями, применяют правила алгебры-логики. Во втором случае – правила обычной алгебры. Примеры матриц с логическими переменными. 1) Матрица связности (смежности) B = ║βij ║. Вхождения принимают значения: βij = 1, если узлы ai и aj являются смежными, и направление от ai к aj совпадает с направлением стрелки на дуге; βij = 0, если узлы ai и aj не смежные, или направление от ai к aj не совпадает с направлением стрелки на дуге. На главной диагонали матрицы стоят чѐрточки – знак неопределѐнности. Матрица ассиметрична относительно главной диагонали. 2) Матрица инцидентности I = ║ iij ║. Она очень похожа на матрицу связности (смежности), но симметрична относительно главной диагонали, а направление дуг отражается знаком при единице: если дуга выходит из вершины, то знак при единице «+», а если входит в вершину, то «– ». На практике применяется редко. 3) Структурная матрица G = ║ γij ║. Вхождения матрицы принимают значения: γij , если узлы ai и aj являются смежными, и направление от ai к aj совпадает с направлением стрелки на дуге; 59 1, если i = j; 0, если узлы ai и aj не смежные, или направление от ai к aj не совпадает с направлением стрелки на дуге. Если разметить ветви графа буквами (например, латинскими), то γij заменяются на эти буквы. Для отражения направления ветви используется следующая символика: γij заменяется на букву x, если i < j , и γij заменяется на букву с чѐрточкой x , если i > j . По матрице связности или структурной матрице можно определить степень любой вершины. Она будет равна максимальному числу ненулевых вхождений (или единиц) в столбце или соответствующей строке. Пользуясь всеми этими правилами и примерами, можно написать некоторые матрицы для приведѐнных выше графов. Матрица связности для полного смешанного графа рис. 4.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 – 1 1 0 0 Р ( а1 ) = 2 2 1 – 0 0 Р ( а2 ) = 2 3 1 0 – 1 1 1 Р ( а3 ) = 4 В1 = 4 0 0 – 0 1 1 1 Р ( а4 ) = 3 5 0 1 1 – 1 Р ( а5 ) = 3 6 0 0 1 1 1 – 0 Р ( а6 ) = 3 7 0 0 1 0 – 0 Р ( а7 ) = 2 8 0 0 0 1 0 0 – Р ( а8 ) = 1 Матрица связности (смежности) для полного неориентированного графа рис.4.6. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 – 1 1 0 0 Р ( а1 ) = 2 2 1 – 0 0 Р ( а2 ) = 1 3 1 0 – 1 0 1 Р ( а3 ) = 3 В2 = 4 0 0 – 0 1 1 1 Р ( а4 ) = 3 5 0 0 1 – 1 Р ( а5 ) = 2 6 0 0 1 1 – 0 Р ( а6 ) = 2 7 0 0 1 1 – 1 Р ( а7 ) = 3 8 0 0 0 1 0 1 – Р ( а8 ) = 2 60 Сравнивая полученные матрицы, можно видеть, что при изменении формы графа они меняют свой вид. Кроме того, матрица В1 ассиметрична, так как отражает смешанный граф, а матрица В2 – симметричная, так как соответствует неориентированному графу. Изменились и степени узлов. Это лишний раз доказывает, что изменение вида графа отражает изменение соответствующей ему матрицы и наоборот, т.е. модель сети может быть графической (граф) и аналитической (матрица). При моделировании сетей связи используются исключительно неориентированные графы, так как каналы связи между узлами всегда двунаправленные, т.е. могут передавать информацию в обе стороны. Следовательно, и матрицы получаются всегда симметричные относительно главной диагонали. Интерес представляет дистанционная матрица D = ║dij ║ с численными переменными. Это симметричная матрица, адекватная нуль-графу, вхождениями которой являются расстояния (в реальных единицах или в сантиметрах с учѐтом масштаба) между вершинами нуль-графа (узлами сети связи), взятые по прямой линии. 4.4. Пути, сечения, связность, диаметр В теории графов вводится понятие пути, как возможности пройти от одной вершины до другой. В теории сетей это называют маршрутом. Понятие маршрута вводится для определения возможности передачи информационного потока φij между заданными узлами. Это необходимо в случае выбора кратчайшего маршрута при управлении потоками, при оценке структурной надѐжности сети и в ряде других случаях. Путь (маршрут) между вершинами (узлами) графа (сети) обозначают буквой μijk . Верхний индекс «k» – это номер пути, если их несколько. Путь – это упорядоченная последовательность ветвей между рассматриваемыми узлами, конец каждой из которых является началом следующей и ни одна из ветвей не повторяется дважды. Если начало и конец пути совпадают, то образуется замкнутый контур или цикл. В сетях связи такого никогда не может быть, так как информация передаѐтся от одного пользователя к другому, а не самому себе. Путь между узлами ai и aj можно записать разным способом: перечнем вершин и ветвей в порядке их следования, упорядоченным перечнем ветвей, перечнем вершин, записанным в порядке их следования, или в виде нижнего индекса: μijk = ai βik ak βkm am … aq βqj aj или βik βkm … βqj или ai ak am … aq aj или μikm…qj . Основной характеристикой пути является его ранг. Ранг пути – это количество ветвей, входящих в путь: r (μk ij ) = 1,2,3…. m. 61 Для разветвлѐнных неориентированных сетей между узлами ai и aj может быть организовано множество путей, которое обозначается Mij . Для оценки надѐжности работы сети вводят понятие сечение. Сечение – это совокупность ветвей, которые следует удалить из графа, чтобы он превратился в два самостоятельных, не связанных между собой графа. Сечение обозначают буквой σijk Верхний индекс «k» соответствует номеру сечения, если их несколько. Также, как и для пути, вводится понятие ранг сечения – r (σ ij ) = 1,2,3…. m. Ранг сечения – это количество ветвей, которые надо удалить из графа, чтобы он распался на два самостоятельных графа. В разветвлѐнных сетях может существовать несколько сечений. k Множество сечений между узлами ai и aj обозначают Sij . Для множества путей или множества сечений, обладающих каким-либо общим свойством (длина пути, ранг пути или сечения и др.) в обозначении множества путей или сечений это свойство отмечается верхним индексом: * * Для пути Mij или для сечения Sij . Понятие пути и сечения тесно связано с понятием связности графа (сети). В общем случае k-связным графом (сетью) считают такой граф (сеть), в котором любые две вершины соединены «k» независимыми путями. Или, граф считается k-связным тогда, когда для того, чтобы граф распался на два несвязных графа, необходимо удалить из него «k» ветвей С точки зрения путей под связностью понимают минимальное количество независимых путей (путей, не имеющих общих ветвей) из всего множества независимых путей между всеми парами узлов. С точки зрения сечений под связностью следует понимать сечение минимального ранга из множества сечений между рассматриваемыми узлами. k = min r (σij ) aj ≠ aj ; σij ( Sij ) Сеть k-связна (имеет связность, равную «k»), если между любой парой узлов ai и aj имеется не менее «k» независимых путей. Или сеть k-связна, если для разделения данного графа на два несвязных графа необходимо убрать минимум «k» ветвей. Понятие диаметр сети определяет еѐ масштабность. Диаметр графа (сети) – это длина наибольшего из кратчайших путей данного графа для всех пар его вершин. Диаметр определяется как максимальный ранг пути из множества кратчайших путей между любой парой узлов сети. Д = max r (μij ) ai ≠ aj μij ( Sijкр.) 62 Рассмотренные понятия и характеристики графов (сетей) находят применение при расчѐтах параметров сети, определении еѐ надѐжности, при управлении потоками и в других случаях. 4.5. Использование графо-матричных моделей при проектировании сетей связи 4.5.1. Методы нахождения множества путей в сети Знание множества путей и умение их находить тем или иным методом необходимы при решении управления информационными потоками, при расчѐтах пропускной способности сети, при расчѐтах структурной надѐжности и ещѐ в ряде случаев анализа работы сетей связи. Существуют три способа нахождения путей в сети: эвристический, аналитический и графический. Для знакомства с ними рассмотрим пример нахождения путей в заданном смешанном графе (рис.4.7.), состоящем из пяти вершин и восьми ветвей (две дуги и шесть рѐбер). Задача формулируется следующим образом. Найти множество путей между узлами а1 и а3 с рангом не более 3, т. е. : М13 r≤3 = ? 2 4 3 1 5 Рис. 4.7. Смешанный граф в примере нахождения путей Задачу решаем тремя методами. Метод первый – эвристический. Суть метода состоит в том, что заданный граф просматривается визуально и в нѐм находятся все возможные пути между указанными узлами. Из полученного множества путей выбираются т.е., которые соответствуют поставленному условию. В рассматриваемом случае множество будет состоять из следующих путей: Первый путь: μ13 1= а1β15а5β53а3 = а1а5а3= β15β53 = μ153 . r (μ13 1) = 2. 63 e (Это путь второго ранга и запись его произведена во всех возможных вариантах (перечнем вершин и ветвей, перечнем вершин, перечнем ветвей и индексом при μ). Во всех остальных случаях мы будем ограничиваться лишь какой-либо одной формой записи). Второй путь: μ13 2 = а1β12а2β24а4β43а3 r(μ13 2 ) = 3 Третий путь: μ13 3 = β12β25β53 r(μ13 3 ) = 3 Четвѐртый путь: μ13 4 = а1а5а4а3 r(μ13 4 ) = 3 Пятый путь: μ13 5 = β12β24β45β53 r(μ13 5 ) = 4 Шестоѐ путь: μ13 6 = μ15243 r(μ13 6 ) = 4 Из шести найденных путей указанному условию удовлетворяют только первые четыре. Они и будут искомым решением: М13 r≤3 = { μ13 1, μ13 2, μ13 3, μ13 4 }. Эвристический метод нахождения путей отличается простотой, но не приемлем для сетей большой размерности, так как визуально проследить сеть, состоящую более чем из десяти узлов с несколькими десятками ветвей затруднительно. Поэтому он применяется в случае анализа сетей не более чем с десятью узлами. Метод второй – аналитический. Суть метода состоит в то, что искомое множество находится из решения определителя подматрицы G´ , полученной из структурной матрицы G, вычѐркиванием i-го столбца и j-й строки. Разметим ветви (рѐбра и дуги) исходного графа 2 d латинскими буквами (рис.4.8) и составим матрицу G: g a 3 1 c f h Граф с ветвями, b Рис.4.8. размеченными буквами 5 G = 1 2 3 4 5 1 1 | a b 2 a 1 d c 3 4 5 | 0 ----- e -----1----- g ----- f | 1 h d g | b f h 1 4 64 Для нахождения множества путей М13 необходимо получить подматрицу G´ вычѐркиванием первого столбца и третьей строки этой матрицы: G´ = 2 3 4 5 1 a b 2 1 d c 4 d g 5 f 1 h 1 h По определению множество путей будет представлять собой решение определителя подматрицы G´ (так как вхождения определителя логические переменные, то при его решении используются правила алгебры-логики), т. е: М13 = det G´ = 2 3 4 5 1 a b 2 1 d c =a g 1 h 4 d g 1 h f 5 h 0 d c f h 1 1 0 d  b d g 1 0 f = h 1 = a(c f  d g  dh f  c g h )  b( f  g h )=ac f  ad g  adh f  ac g h  b f  b g h . Как и в предыдущем случае, полное множество путей между рассматриваемыми узлами включает в себя шесть путей, из которых только четыре удовлетворяют поставленному условию. Это и будет искомое решение, которое полностью совпадает с ранее полученным: М13 r≤3 = {b f  b g h  ac f  ad g }. Аналитический метод нахождения путей позволяет решать задачу для сетей любой размерности с применением ЭВМ, так как сейчас имеются программы решения определителей любого порядка. Метод третий – графический. Суть метода заключается в построении дерева путей по структурной матрице в классической форме. Запишем структурную матрицу для рис.4.8. в классической форме с вхождениями γij : 65 G= 1  12  21 1  51 1  24  34  32  42  43 1 0  53  54  15  25  35  45 1 Алгоритм построения дерева путей состоит в следующем. Выбирается узел-исток. В нашем случае это узел 1. Он помещается на первом ярусе дерева, в его корне. Это соответствует пути нулевого ранга, т.е. r = 0. Просматривается первая строка матрицы и из нее выбираются вхождения, не равные 0 или 1. В нашем случае это γ12 и γ15 . От узла 1, стоящем на первом ярусе, проводятся линии (ветви дерева) на второй ярус с рангом r = 1 и там ставятся цифры 2 и 5. Выбраны ветви 1-2 и 1-5. Так как на втором ярусе находится точка 2, то просматривается строка матрицы с номером 2 и из неѐ выбираются вхождения, не равные 0 или 1, кроме вхождений, ведущих в обратную сторону (от 2 к 1). Это ветви 2-4 и 25. От точки 2 проводятся линии (ветви дерева) на следующий ярус (ярус с рангом r = 2) и там ставятся точки 4 и 5. На втором ярусе ещѐ стоит точка 5. Следовательно, просматривается пятая строка матрицы и из неѐ выбираются ветви 5-3 и 5-4. От точки 5 второго яруса проводятся линии (ветви дерева) на третий ярус (с рангом r = 2) и там ставятся точки 3 и 4. Одна из ветвей (ветвь 5-3) привела нас к нужному результату, попали в точку 3. Это путь μ153 , путь второго ранга. Далее просматривается третий ярус и в соответствии с номером встретившейся точки просматривается соответствующая ему строка матрицы, и аналогичным образом находятся следующие ветви дерева. Получившийся результат в виде дерева путей представлен на рис4.9. На нѐм отображены все шесть путей, а удовлетворяющие поставленному условию М13 r≤3 четыре пути (один второго ранга и три – третьего ранга) отмечены жирными кружками и цветом. 66 1 1 Первый ярус с рангом r = 0 2 5 Второй ярус с рангом r = 1 4 5 3 4 Третий ярус с рангом r = 2 5 3 3 4 3 3 3 Четвѐртый ярус с рангом r =3 Пятый ярус с рангом r = 4 33 Рис.4.9. Дерево путей Графический метод может применяться также для сетей любой размерности, решение может быть получено с помощью ЭВМ. Но, в отличии от аналитического метода, он обладает большей наглядностью. 4.5.2. Построение кратчайшее связной сети (КСС). Поставленная задача является задачей минимизации длины ветвей сети и, как следствие, получения самой дешѐвой сети, которая связна и не содержит циклов. Она включает все вершины (узлы), то есть является с точки зрения теории графов остовным деревом минимального веса (ОДМВ), а с точки зрения теории сетей – кратчайшесвязной сетью (КСС). Исходными данными для построения КСС являются: нуль-граф и адекватная ему дистанционная матрица D = ║ dij║. Задача построения ОДМВ в теории графов решается с использованием алгоритмов Краскала, Дейкстры, Прима и др. Для сетей малой размерности (не более 10 узлов) можно воспользоваться модифицированным алгоритмом Прима (МАП) в табличной форме. Рассмотрим его на примере. Пусть нам задан нуль-граф (рис.4.10), отображающий в масштабе некоторую сеть связи, и адекватная ему дистанционная матрица, показывающая расстояния между всеми узлами сети по прямой (в некотором масштабе). 67 6 2 3 5 1 4 Рис.4.10. Нуль-граф для построения КСС Это квадратная матрица с нулями на главной диагонали. Цифры в дистанционной матрице представлены в некоторых условных единицах (например, в сантиметрах или миллиметрах) и выражают расстояние между узлами по прямой. 1 2 3 4 5 6 1 0 27 32 30 47 50 2 27 0 13 26 28 23 D = 3 32 13 0 12 15 17 4 30 26 12 0 20 29 5 47 28 15 20 0 6 50 23 17 29 10 10 Для решения задачи построения КСС с помощью МАП в табличной форме строится таблица, содержащая одинаковое с дистанционной матрицей количество строк и столбцов. К ней добавляется ещѐ один столбец для записи выбранной ветви. Из матрицы D выбирается любой столбец или строка. Номера строк (или столбцов), кроме выбранного, записываются в «шапку» таблицы. В добавленном столбце в «шапке» таблице записывается «Выбранная ветвь βij». Далее происходит заполнение строк таблицы следующим образом. Предположим, что мы выбрали первую строку матрицы. 68 4 5 6 Выбранная ветвь βij 2 3 271 321 301 471 501 β12 = 27 х 132 262 282 232 β23 = 13 Х Х 123 153 173 β34 = 12 Х х х 153 173 β35 = 27 х х х х 105 β56 = 10 х х х х х Lксс = 89 Они записываются в «шапку» таблицы с соответствующим индексом (в нашем случае это индекс «1»). Из этих чисел выбирается минимальное число, что соответствует минимальной длине ветви. Выбранная ветвь βij получает двойной индекс, складывающийся из индекса выбранного числа и номера столбца, из которого она выбрана, т.е. β12 . Элементы выбранного столбца из дальнейшего рассмотрения исключаются (во всех нижележащих клеточках ставится крест). Начинается заполнение второй строки таблицы. Просматривается строка матрицы, номер которой соответствует номеру выбранного столбца таблицы (в нашем случае это вторая строка), и еѐ элементы сравниваются с оставшимися элементами предыдущей строки таблицы. Минимальное из сравниваемых значений записывается в клеточки таблицы с соответствующим индексом. Если меньшим окажется число из таблицы, то оно переносится во вторую строку таблицы (в нашем случае это было бы с индексом «1»), а если меньшим окажется число из второй строки матрицы – то оно переносится в клеточку таблицы с индексом номера просматриваемой строки (в нашем случае это так, и индекс этого числа «2»). Из записанных цифр выбирается меньшая, формируется «Выбранная строка βij». Далее заполняется третья и последующие строки таблицы по тому же правилу, до тех пор, пока не получится пустая строка (сплошные крестики). При заполнении строк таблицы следует внимательно относиться к выбору индекса чисел в еѐ строках. В нижней правой клеточке таблицы приводится общая длина полученной КСС (Lксс) в виде суммы всех чисел в последнем столбце. 69 мы Проводя на нуль-графе линии, соответствующие выбранным ветвям, получим кратчайшесвязную сеть (рис.4.11). 6 2 3 5 1 4 Рис.4.11. Кратчайшесвязная сеть Полученный таким образом граф является остовным деревом минимального веса, а, следовательно, и минимальной стоимости. 4.5.3. Расчёт структурной надёжности сети Однако, любое дерево (следовательно, и полученное ОДМВ), являясь связным графом, имеет связность равную k = 1, а, следовательно, не обладает нужной живучестью (надѐжностью). Для повышения надѐжности работы сети необходимо дополнить полученный граф (рис.4.11) ещѐ какимилибо ветвями так, чтобы связность полученного графа была, по крайней мере, равна двум (k = 2). Для рассматриваемого случая это условие будет выполнено, если добавить ветви β26 и β14 (пунктирные линии на рис 4.12). 6 2 3 5 1 4 Рис.4.12. Граф, имеющий связность k = 2. 70 Правильность выбора дополнительных ветвей и их числа проверяется расчѐтом структурной надѐжности и сравнением еѐ с заданной. При проектировании сети под надѐжностью еѐ работы понимают способность пропускать информационные потоки с определѐнной вероятностью доставки их к месту назначения при любых случайных повреждениях элементов сети, и даже с определѐнными ограничениями в аварийных ситуациях. Она будет зависеть не только от надѐжности работы отдельных элементов (линии, узлы коммутации и пр.), но и от способа взаимного соединения узлов, т. е. от еѐ структуры. Из теории надѐжности известно, что работоспособность любого элемента оценивается коэффициентом готовности (kгi) и связанным с ним коэффициентом простоя (kпi = 1 – кгi). Если элементы соединены последовательно, то результирующий коэффициент готовности (Кгр) равен произведению коэффициентов готовности отдельных элементов, т.е.: Кгр = m П i 1 (kгi ). При параллельном соединении компонент отказ сети наступит лишь в случае отказа всех входящий в неѐ элементов. Тогда общий коэффициент простоя (Кпо ) будет определяться произведением коэффициентов простоя всех i его элементов (kпi ): Кпо = n П ( kпi ). i 1 Понятие отказа для сети связи является специфичным. Дело в том, что сообщение в процессе доставки быстро стареет. Если выразить ценность сообщения в экономических показателях, то с течением времени она уменьшается, и наступает момент, когда конкретное сообщение уже не может быть использовано для целей управления, т.е. его ценность обращается в ноль. Поэтому, применительно в сети связи под отказом понимают состояние, когда в результате неисправности некоторых элементов время доставки сообщения через сеть превышает заданное. Современные сети связи имеют весьма сложную структуру, которая в общем случае не сводится к простейшему последовательно-параллельному соединению различного числа ветвей. Поэтому на этапе предварительного проектирования требования к надѐжности учитываются введением условия наличия нескольких независимых путей между рассматриваемыми пунктами. Для этого задаѐтся коэффициент связности k = 2, а дальше рассчитывается вероятность связности Нij для той или иной пары узлов (как правило берутся удалѐнные узлы). Сеть считается надѐжной, если рассчитанная вероятность связности (Нij ) будет не менее заданной заказчиком (Рij), т.е. Нij  Рij . Существует много методов расчѐта структурной надѐжности. Одним из них является метод разложения Шеннона-Мура. Суть метода состоит в том, что путѐм некоторых преобразований рассматриваемую структуру сводят к набору простейших последовательно-параллельных структур, для которых надѐжность рассчитывается достаточно просто. Это делается В реальных 71 условиях значения p23 и q23 отличаются от 1. Поэтому вероятность связности графа (сети) между узлами 1 и 6 будет равна сумме найденных частных вероятностей, умноженных на реальные значения p23 и q23 : удалением перемычек в сети, полагая их абсолютно надѐжными (pi = 1), или находящимися в состоянии отказа (pi = 0). В качестве примера рассмотрим граф рис. 4.12 со связностью k = 2 и рассчитаем для него структурную надѐжность между узлами 1-6 (Н16) методом разложения Шеннона-Мура. Для этого представим сеть в «стилизованном» виде, как граф мостиковой структуры с перемычкой 2-3 (рис.4.13). 2 1 6 4 5 3 2 1 6 2,3 4 5 1 6 4 5 3 Рис.4.13. Разложение графа на простейшие составляющие Перемычку 2-3 можно удалить, считая еѐ абсолютно надѐжной (p23 = 1). Тогда узлы 2 и 3 сольются в один (нижняя левая часть рис.4.13). Или, считая еѐ абсолютно не надѐжной (p23 = 0 или q23 = 1 – p23 = 1), изолировать их друг от друга (нижняя правая часть рис.4.13). Рассматриваемый граф оказался «разложенным» относительно перемычки 2-3 на два подграфа с числом элементов на единицу меньше исходного. Для каждого из них частная вероятность связности Н 116 и Н 162 находятся по обычным формулам сложения и умножения вероятностей: 72 Н 116 = {1 – [(1 – р14 р43) (1– р12)] }  { 1 – [(1 – р35 р56) (1 – р36)] } и Н 162 = [1 – (1 – р12 р26) (1 – р14 р43 р35 р56)] . Н16 = p23 (Н 116 ) + q23 (Н 162 ). В более сложных структурах, имеющих несколько перемычек, потребуется неоднократное применение метода разложения. На каждом последующем шаге число элементов в получившихся подграфах будет на единицу меньше, а число полученных подграфов – в два раза больше. В конечном счѐте, число простейших последовательно-параллельных структур составит 2m , где m – число перемычек, по которым велось разложение. Ещѐ существует метод расчѐта надѐжности по совокупности путей и сечений и метод двусторонней оценки надѐжности. Последний легко поддаѐтся машинной реализации с использованием булевой алгебры. 73 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Очень хорошо о роли средств связи для управления на железной дороге сказал профессор Дмитрий Иванович Каргин в своѐм учебнике «Связь на железнодорожном транспорте»: «Связь – это нервная система огромного и сложного железнодорожного организма, по которой наиболее быстрым способом совершается непрерывное оперативное руководство во всех отраслях хозяйства железной дороги». (Трансжелдориздат, 1936 г.). А ещѐ ранее, в 1930 году в учебнике «Железнодорожная связь» он же определил требования к системам электросвязи: «Самым совершенным видом связи является личное общение агентов (служащих железной дороги). И, если бы электротехника могла приблизить нас к этому идеалу, то задача еѐ бы выполнена. Весь комплекс средств связи должен быть построен таким образом, чтобы мог отвечать следующему требованию: в любое время, в любом месте и на любое расстояние давать возможность вести между собой личные переговоры, или передавать письменные служебные сношения (депеши), когда именно последние требуются по характеру работы. При этом технически такая связь должна достигаться возможно проще и должна быть также простой в эксплуатации и обслуживании, и экономически оправдывать себя». Лучше этого не скажешь. И, хотя это было написано в первой трети XX-го века, мысль Д.И.Каргина звучит актуально и сегодня.