Автоматические системы управления и связь

 

Как видно  из рис. 5.1, ЛПР, получив информацию обратной связи I_ос, осведомляющую его о состоянии ОУ, обращается к ЭВМ (поток I_вх), имеющей определённое программное обеспечение и вырабатывающей рекомендации к принятию решения (поток I_вых). На основе анализа предложенных ЭВМ альтернатив ЛПР принимает решение, которое в виде I_у поступает в ИО, переводя его в необходимое состояние. То есть управление в АСУ представляет собой процесс целенаправленной переработки информации.

Технология  переработки информации начинается с формирования информационного  ресурса или сбора информации, которая должна в информационном плане отразить объект управления. Собранная информация для её оценки и последующих преобразований должна быть соответствующим образом подготовлена – осмыслена и структурирована, например, в виде таблиц или баз  данных. После подготовки информация может быть передана для дальнейших преобразований одним из традиционных способов или преобразована в  машинные данные (ввод). Процесс ввода  преобразует информацию в данные, имеющие форму цифровых кодов, реализуемых  на физическом уровне с помощью различных  физических представлений.

Последующие за вводом информационные процессы производят преобразование данных в соответствии с поставленной задачей с помощью  ЭВМ. При преобразовании данных выделяются следующие основные информационные процессы: обработка, обмен, накопление данных, представление знаний.

Процесс обработки  данных связан с преобразованием  значений и структур данных, в том  числе в форму, удобную для  человеческого восприятия,  
т. е. отображением. Процедуры отображения переводят данные из цифровых кодов в изображение или звук. Информационный процесс обмена перемещает данные в ходе осуществления информационной технологии. При обмене данными используются два типа процедур: передачи данных по каналам связи и сетевые процедуры, позволяющие создать организацию вычислительной сети. Процедуры передачи данных реализуются с помощью операций кодирования (декодирования), модуляции (демодуляции), согласования и усиления сигналов. Процедуры организации сети содержат в себе в качестве основных операции по коммутации и маршрутизации потоков данных (трафик) в вычислительной сети.

Процесс накопления даёт возможность длительно хранить  информацию, постоянно обновлять  и оперативно извлекать в заданном объёме по заданным признакам. То есть процедуры процесса накопления состоят  в организации хранения и актуализации данных.

Основным  информационным процессом является информационный процесс представления  знаний, который состоит из процедур получения формализованных знаний и процедур генерации (вывода) новых  знаний из полученных. Очевидно, что  в зависимости от решаемых задач  вес и взаимосвязь информационных процессов различны.

Структурно  автоматизированная система содержит:

– компьютеры (хост-компьютеры, сетевые компьютеры, рабочие станции, серверы), размещённые в узлах сети;

– аппаратуру и каналы передачи данных с сопутствующими им периферийными устройствами;

– интерфейсные платы и устройства (сетевые платы, модемы);

– маршрутизаторы и коммутационные устройства.

Рабочая станция  – это подключённый к сети компьютер, через который пользователь получает доступ к её ресурсам. В качестве рабочих станций используются обычные  и специализированные компьютеры. Такие  специализированные компьютеры называются сетевыми компьютерами (NET PC – Network Computer). Рабочая станция на базе обычного компьютера функционирует как в сетевом, так и в локальных режимах. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всем необходимым для решения прикладных задач. Отличие сетевого компьютера от обычного состоит в том, что он максимально упрощён. Как правило, сетевой компьютер не содержит дисковой памяти, имеет упрощённую материнскую плату, дисплей, клавиатуру, устройство типа «мышь», сетевую карту с чипом постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) Boot ROM, обеспечивающим возможность удалённой загрузки операционной системы с сервера сети. Компьютеры, имеющие непосредственный доступ в глобальную сеть, называют хост-компьютерами.

Сервер  представляет собой выделенный для  обработки запросов от всех рабочих  станций сети многопользовательский  компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительные мощности, базы данных, принтеры, факсы и т. д.) и распределяющий эти ресурсы. Сервер имеет свою сетевую  операционную систему, под управлением  которой происходит совместная работа всех звеньев сети. Кроме предоставления сетевых ресурсов рабочим станциям, сервер может сам выполнять содержательную обработку информации. Такой сервер называют сервером приложений.

Серверы в  сети, как правило, специализируются. Такие серверы используются для  создания и управления базами данных и архивами данных, поддержки многоадресной  факсимильной связи и электронной  почты, управления многопользовательскими терминалами. Например, файл-сервер используется для работы с базами данных, имеет  объёмные дисковые запоминающие устройства типа RAID. 

Основным  назначением узлов коммутации является приём, анализ и отправление данных по выбранному маршруту. Узлы коммутации автоматизированных систем содержат устройства коммутации (коммутаторы). Коммутаторы, выполняющие коммутацию на основе иерархических  сетевых адресов, называются  маршрутизаторами.

С помощью  устройств коммутации значительно  сокращается протяжённость каналов  связи в сетях с несколькими  взаимодействующими абонентами, так  как в этом случае вместо нескольких каналов связи от данного абонента ко всем остальным можно проложить  по одному каналу от каждого абонента к общему коммутационному узлу.

В настоящее  время для повышения оперативности, надёжности передачи и уменьшения ёмкости  запоминающих устройств узлов коммутации длинные сообщения разделяются  на несколько более коротких стандартной  длины, называемых пакетами. Пакеты могут  следовать к получателю разными  путями и непосредственно перед  выдачей абоненту объединяются для  формирования законченного сообщения. Этот вид коммутации обеспечивает наибольшую пропускную способность сети и наименьшую задержку при передаче данных. Коммутация пакетов относится к логическим видам коммутации, так как при  их использовании формируется только логический канал между абонентами. При логической коммутации взаимодействие абонентов осуществляется через  запоминающие устройства, куда поступают  сообщения от всех абонентов, обслуживаемых  данным узлом. Каждое сообщение (пакет) имеет адресную часть, определяющую отправителя и получателя. В соответствии с адресом выбирается дальнейший маршрут и передаётся сообщение из запоминающего устройства узла коммутации.

В сетях с  маршрутизацией информации, как отмечалось выше, возникает задача маршрутизации  данных. В настоящее время существуют следующие способы маршрутизации: с предварительным установлением  соединения, при котором перед  началом обмена данными между  узлами сети должна быть установлена  связь с определёнными параметрами, и динамический, использующий протоколы  дейтаграммного типа, по которым сообщение передаётся в сеть без предварительного установления соединения.

Маршрутизация является распределённым процессом  и выполняется всеми узлами коммутации сети связи. Для этого каждый узел определяет виртуальный канал, или  канал передачи, по которому необходимо направить вызов или сообщение  от абонента к корреспонденту, тем  самым создавая путь на сети связи. Например, при необходимости доставки сообщений от пользователя А к  пользователю Б (рис. 5.2) [2] возможна их передача по каналам 1,2,…, ε,…, h (h – общее число каналов передачи, смежных с U_s и соединяющих его с h другими узлами сети). Выбор конкретного исходящего от узла U_s канала осуществляется в соответствии с критерием наилучшего значения показателя эффективности Q_e (e = 1, 2, …, h).

 

                    

 

Рис. 5.2. Возможные маршруты передачи сообщений (пакетов) от пользователя А к пользователю Б

 

В качестве Q_е могут выбираться такие показатели, как время доставки сообщения, вероятность своевременной доставки сообщения и т. д. При известных значениях Q_е может быть использована детерминированная или вероятностная процедура выбора исходящих маршрутов.

Маршрутизаторы обычно создаются на базе одного или нескольких процессоров и имеют специализированную операционную систему.

Преобразование, выполняемое при передаче данных, как правило, связано с их модуляцией. Модуляция представляет собой изменение  какого-либо параметра сигнала в  канале связи (модулируемый сигнал) в  соответствии с текущими значениями передаваемых данных (модулирующий сигнал).  
Демодуляция – обратное преобразование модулированного сигнала (возможно, искажённого помехами при прохождении в канале связи) в модулирующий сигнал.

В модемах  используют следующие виды модуляции:

– частотную (FSK);

– фазовую (PSK);

– квадратурную амплитудную (QAM).

При частотной  модуляции в соответствии с текущими значениями модулирующего сигнала (передаваемых данных) изменяется частота  физического сигнала (обычно синусоидального) при неизменной амплитуде. В простейшем случае значениям 0 и 1 бит данных соответствуют  два значения частот, например 980 и 1180 Гц. Частотная модуляция помехоустойчива, поскольку при передаче искажается лишь амплитуда сигнала.

При фазовой  модуляции модулируемым параметром является фаза сигнала при неизменной частоте и амплитуде. Такой способ модуляции обладает высокой помехоустойчивостью.

При амплитудной  модуляции сигнала его защищенность от помех низкая, поэтому применяют  квадратурную амплитудную модуляцию, при которой в такт передаваемым данным изменяются одновременно фаза и амплитуда сигнала.

Передача  данных и их преобразование в модемах  выполняются в соответствии с  принятыми протоколами.

Протокол  передачи данных представляет собой  совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе может  подробно указываться, как представить  данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения  и защищённости их передачи, как  выполнить соединение с каналом, преодолеть действующие в канале шумы и обеспечить достоверность  передачи данных. Стандарт включает в  себя совокупность протоколов или, что  бывает реже, один протокол. В табл. 5.1 приведены основные существующие и разрабатываемые стандарты  для семи уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем [2].

Стандарт  Х.400 используется при рассмотрении порядка обмена сообщениями в  цифровых сетях связи в режиме электронной почты. Система обработки  сообщений на базе Х.400 предоставляет  услуги по передаче сообщений, а также  по отправке и вручению сообщений. В  последнем случае обеспечивается единый формат для сообщений с компонентами разных типов и при необходимости  преобразование сообщений одного типа в другой, например преобразование факсимильного сообщения в текстовый  вид.

 

 

 

 

Таблица 5.1

 

Стандарты для эталонной  модели взаимодействия открытых систем

 

Уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем	Стандартные протоколы
Прикладной	Х.400, Х.500, Х.700, Х.800, FRAM, MMS,ODA/EDI, сетевые аспекты мультимедиа приложений
Представительский	ASN 1, V.42 bis, MNP-5, X.208, X.209, X.216, X.226, ISO 8824, 8825, 8822, 8823, криптозащиты, сжатия
Сеансовый	Х.3, Х.28, Х.29, Х.215, Х.225, ISO 8826, 8827
Транспортный	TCP, UDP, Х.214, Х.224, Х.75, ISO 8072, 8873, 10608
Сетевой	IP, X.25, DS-1, DS-3, FR, ISO 8473, 8648, 9577, 8208
Канальный	HDLС, LAP-B/D/F, IEEE-8022, 8023, 8024
Физический	RS-232, RS-485, RS-423, X.20, X.21, V.36

 

На рис. 5.3 [2] показана схема обработки сообщений, соответствующая Х.400. Абонент передаёт сообщение в устройство пользователя, которое упаковывает его в  «конверт» и помещает в поле заголовка  адресную информацию. По заложенной служебной  информации отыскиваются необходимые  адреса и создаются списки рассылки. Затем устройство пользователя передаёт конверт с заголовками и сообщениями  в ближайший узел коммутации (УК) сети связи, откуда конверт пересылается от одного УК к другому, пока не дойдет до УК получателя.

Комплект спецификаций Х.400 включает протокол Р.1, который описывает  конверт. Конверт Х.400 имеет заголовок, содержащий сведения об отправителе, получателе, предмете сообщения и списки адресов рассылки копий.  
Устройства пользователя (УП) взаимодействуют с УК посредством протокола Р.2, который регламентирует структуру сообщения и порядок доставки.

 

 

 

Рис. 5.3. Схема обработки сообщений  по стандарту Х.400