Анализ структуры информационно-измерительной системы

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Вариант 3

Задана топология информационно-измерительной системы:

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 - Заданная топология системы связи трехступенчатой

иерархической структуры ИИС

Расстояние между первой и второй ступенью l2 = 30 м.

Расстояние между первой и третьей ступенью l3 = 35 м.

Координаты по оси X объектов первой ступени, м:

X11 = 20; X12 = 25.

Координаты по оси X объектов второй ступени, м:

X21 = 15; X22 = 20; X23 = 35; X24 = 40; X25 = 25.

Координата по оси X объекта третьей ступени, м: X31 = 35; X32 = 40.

Средняя длина линий связи l0 = 5 м.

Расстояние от центрального органа управления до объектов 1-й ступени:

lу = 35 м.

Интенсивности отказов:

- объектов первой ступени л1 = 0,42Ч10-4 c-1;

- объектов второй ступени л2 = 0,434Ч10-5 c-1;

- объектов третьей ступени л3 = 0,118Ч10-5 c-1;

- промежуточных линий связи иерархической системы лпл = 0,283Ч10-5 c-1;

- линий связи централизованной системы лл = 0,387Ч10-5 c-1;

- центрального объекта управления централизованной системы

лцо = 0,118Ч10-5 c-1.

ВВЕДЕНИЕ

ИИС предназначены для автоматизированного сбора измерительной информации о параметрах объекта (в качестве которого может выступать окружающая среда или производственный процесс) и передачи ее на центральный орган для дальнейшего анализа и принятия решения. Информационно-измерительные системы являются составной частью систем автоматического управления.

ИИС могут строиться как на основе сетевой вычислительной техники общего назначения, так и на основе специализированной аппаратуры.

Традиционно ИИС обладают иерархической топологией или топологией типа «звезда», которые в наибольшей степени соответствуют особенностям решаемых подобными системами задач, хотя в них может быть применена и шинная архитектура. [3]

Особенностями информационно-измерительных систем (ИИС) нового поколения являются:

- расширение функциональных возможностей в отношении сбора, адаптации, распределения, за счет перепрограммирования в процессе обработки формируемых массивов измерительной информации и управления сложными автоматическими комплексами и системами;

- повышение таких показателей, как точность и достоверность измерений, за счет усреднения и статистической обработки измерительных данных с учетом влияния внешних факторов. [1]

Любая информационная система состоит из следующих элементов:

Центральный орган - служит для централизованного сбора и обработки информации, поступающей со всех датчиков (ветвей), а также обеспечивает возможность централизованного контроля;

Промежуточные узлы - служат для сбора информации с нескольких линий (ветвей) и передачи ее в один канал (наподобие сетевых концентраторов);

Объекты конечной ступени представляют собой датчики или другие источники измерительной информации, поступающей в систему, они служат для сбора информации о текущем состоянии контролируемого параметра и последующей ее передачи в сеть;

Линии связи - объединяют объекты и узлы системы в единую иерархическую централизованную структуру и служат для передачи информационного сигнала от объектов низшей ступени к объектам высшей, вплоть до центрального органа.

Линия связи является одним из самых дорогостоящих элементов ИИС, стоимость которого зачастую превосходит стоимость остального аппаратного обеспечения, и во многом определяют затраты на построение системы и ее надежность. Таким образом, при разработке ИИС ставится задача поиска наиболее оптимального расположения ступеней иерархии системы для обеспечения минимальной суммарной длины линий связи при сохранении количества промежуточных ступеней на достаточно низком уровне, при этом, как правило, расположение объектов первого уровня иерархии и центрального органа регламентируется особенностями технологического процесса и не может быть произвольным образом изменено. [2]

Целью работы является определение типа топологии и оптимального пространственного расположения объектов ИИС, при котором минимизируется суммарная длина линий связи системы и увеличивается ее надежность. [1]

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ТОПОЛОГИИ ИИС

Под топологией понимают конфигурацию графа, узлами которого служат компьютеры и сетевое оборудование, а ребрами - физические связи между ними.

По степени территориальной рассредоточенности элементов сети различают глобальные, региональные и локальные вычислительные сети (ГВС, РВС и ЛВС).

По характеру реализуемых функций сети делятся на вычислительные (основные функции таких сетей - обработка информации), информационные (для получения справочных данных по запросам пользователей), и смешанные, в которых в некотором непостоянном соотношении выполняются вычислительные и информационные функции.

По способу управления ТВС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления.

По технологии передачи информации сети делятся на широковещательные сети и сети с маршрутизацией информации. В широковещательных сетях взаимодействие АС производится следующим образом. Существует единый канал связи, совместно используемый всеми машинами в сети. Сообщения, называемые в некоторых случаях пакетами, посылаемые одной машиной, получаются всеми машинами сети. Поле адреса данного пакета указывает, кому предназначается данная информация. При получении пакета машина сверяет его адрес со своим собственным, если адрес совпадает, то пакет обрабатывается. Иначе он отбрасывается. Сети с маршрутизацией информации, напротив, состоят из большого количества соединенных между собой пар машин, возможно, соединенных не напрямую, а опосредованно. Тогда существует несколько возможных путей от источника к получателю. Поэтому с помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального (например, кратчайшего по времени доставки кадра) маршрута.

По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В эксплуатации также находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных.

При выборе топологии в сети принято учитывать следующие моменты.

1) Состав необходимого сетевого оборудования.

2) Характеристики сетевого оборудования.

3) Возможность расширения сети.

4) Способ управления сетью (взаимодействия компьютеров в сети).

Все сети в настоящее время стоятся на основе трех базовых топологий:

1. Шина.

Для топологии типа - шина характерно линейное расположение связей между узлами. В такой сети используются один кабель, именуемый магистральный бит в секунду, вдоль которого подключены все компьютеры сети. При этом передача сигналов осуществляется в обе стороны. Топология типа шина - пассивная топология, то есть когда происходит передача данных по сети от одного из компьютеров, остальные находятся в режиме приема, но сами в передаче данных не участвуют (в этот момент). При этом информацию, передаваемую по сети, воспринимают только тот компьютер, чей адрес соответствует в передаваемых сигналах. Поскольку в этой сети передачу в каждый момент времени может вести только один из ее компьютеров, то чем больше будет их число в рамках данной сети, тем медленнее будет связь. К достоинствам этой топологии относятся: сравнительная дешевизна и простота разводки кабеля по помещению. Недостаток - низкая надежность, поскольку любой дефект кабеля какого-нибудь из разъемов полностью парализует всю сеть.

2. Звезда.

При данной топологии все компьютеры подключаются с помощью сегментов кабеля к центральному узлу. Данный тип топологии - централизованный тип начальной сети. Функции центрального устройства (сервер) входит по направлению передаваемой каким-либо компьютерам информацию всех компьютеров сети. Кроме того, центральный узел может играть роль фильтра, блокируя при необходимости запрещение администратором передачи. К достоинствам такой сети относится ее высокая надежность, поскольку, если выйдет из строя один из компьютеров или

соответствующий кабель, то лишь этот компьютер не сможет участвовать в обмене информации по сети, работа остальных не изменится. Недостатки: более высокая стоимость по сравнению с топологией шины. В первую очередь из-за того, что центральный компонент сети должен быть максимально надежным, а отсюда и дорогим, поскольку при выходе его из строя вся сеть падает. Кроме того, так как все компьютеры подключены к одному центральному узлу, то в случае больших размеров в сети, значительно возрастает расход кабеля. К недостаткам этой топологии можно отнести также ограниченное число абонентов (не более 16). Поэтому при необходимости масштабирования сети часто используют топологию - иерархическая звезда.

В этом случае несколько концентраторов иерархически соединяются между собой связями типа звезда, что позволяет довести число абонентов до желаемого количества.

3. Кольцо.

При данной топологии компьютер подключается к кабелю, замкнутому в кольцо. Сеть с такой топологией может работать как в качестве централизованной сети, так и по шине децентрализованной сети. При работе сети сигналы передаются в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Кольцо - активная сетевая топология. В активных топологиях компьютеры реагируют на сигналы и передают их по сети, поэтому данные, сделав полный оборот, возвращаются к источнику, который может контролировать процесс доставки данных к адресату. Недостаток: при выходе из строя хотя бы одного из узлов - вся сеть падает. Достоинства: возможность подключения достаточно большого числа абонентов (100 и более).

Помимо рассмотренных базовых вариантов топологий могут быть использованы различные их комбинации. Такая топология называется смешенной.

Глобальные и региональные сети, как и локальные, могут быть однородными (гомогенными), в которых применяются программно-совместимые ЭВМ, и неоднородными (гетерогенными), включающими программно-несовместимые ЭВМ. Однако, учитывая протяженность ГВС и РВС и большое количество ЭВМ в них, такие сети чаще бывают неоднородными. [2]

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЕЛИЧИНЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СУММАРНОЙ ДЛИНЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ ОТ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ I И II СТУПЕНЕЙ

Задана топология информационно-измерительной системы:

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 2 - Конфигурация расчетной сети ИИС

Данная сеть является:

- по степени территориальной рассредоточенности - локальной вычислительной сетью;

- по способу управления - сеть с централизованным управлением;

- по организации передачи информации - сеть с маршрутизацией информации;

- по топологии данная сеть относится к классу последовательных, типу последовательных сетей - иерархическому.

В данной курсовой работе анализируется топология сети типа иерархическая звезда, состоящая из трёх ступеней. Достоинством такого типа является высокая надежность, так как при выходе одного из компьютеров работа остальных по обмену информации в сети изменится. К недостаткам можно отнести более высокую стоимость по сравнению с другими типами.

Совместим объекты первой ступени с осью Х прямоугольной системы координат и обозначим расстояние до второй и третей ступени соответственно l2 и l3. Положение каждого объекта в прямоугольной системе координат задается двумя параметрами. Обозначим их для объектов первой ступени x1i, y1=0; второй ступени x2j, y2 и для объекта третей ступени x3, y3.[1]

Суммарная длина линий связи между объектами первой и второй ступеней:

Определим суммарную длину связей между объектами второй ступени:

Суммарная длина линий связи между объектами второй и третьей ступеней:

Общая длина линий связи ИИС:

В большинстве случаев координаты объектов первой и третьей ступеней заданы топологией предприятия и существующей системой управления, поэтому возникает задача оптимального размещения объектов второй ступени, при котором минимизировалась бы общая длина линий связи L.

Обозначим отношение l2/l3=a. При изменении а от нуля до единицы общая длина линий связи будет изменяться:

При a=1 имеет место двухступенчатая централизованная структура, при которой длина достигает значения:

Зависимость L(a)/L(1)=f(a) представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 - График зависимости относительной суммарной длины линий связи от коэффициента а

На основании данного графика можно сделать вывод, что увеличение коэффициента а=l2/l3 приводит к убыванию общей длины линии связи. Таким образом, объекты второй ступени должны располагаться довольно близко к объектам первой ступени.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЕЛИЧИНЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СУММАРНОЙ ДЛИНЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ ОТ ЧИСЛА СТУПЕНЕЙ

Общая длина линий связи зависит также от числа ступеней р и коэффициента ветвления K иерархической структуре. Количество ступеней р и коэффициент ветвления связаны между собой соотношением:

где n1 - количество объектов первой ступени.

Общая длина линий связи находится суммированием длины линий связи по всем ступеням:

где li - суммарная длина линий связи i-ступени.

где l0 - среднее расстояние между объектами;

ly - расстояние от центрального органа управления до объектов I ступени.

При n1 = 2, p = 3 получим

k3-1 = 2; k = 1,414

Суммарная длина линий связи (для трех уровней):

Максимальная общая длина линий связи (при двухуровневой централизованной архитектуре):

Построим зависимость величины относительной суммарной длины линий связи от числа ступеней f(p)=L/Lm (рисунок 4).

Рисунок 4 - График зависимости L(p)/Lm=f(p)

Анализируя график, приведенный на рисунке 4, приходим к выводу, что оптимальным значением p можем принять 4. Увеличение числа ступеней p больше оптимального значения приводит к уменьшению суммарной длины линий связи. Дальнейшее увеличение числа ступеней p может привести к возрастанию общего количества используемых объектов системы, что снижает надежность ИИС, так как повышается вероятность воздействия помех, повреждения линий связи, следовательно, снижается надежность доставки сообщений.

4. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ИИС

Важным показателем надежности системы является среднее время безотказной работы.

Многоступенчатая иерархическая структура системы приводит к возрастанию числа объектов системы. При оптимальном распределении функций между ее ступенями надежность функционирования объектов управления возрастает.

Определим зависимость среднего времени Т0 безотказной работы системы от надежности объектов ступеней.

Обозначим интенсивность отказов Т0 объектов каждой ступени соответственно л1, л2, л3. Определим Т0 по методике оценивания надежности многокомпонентных систем. Будем считать, что объекты ступеней иерархической структуры могут находиться в двух состояниях: 1 - рабочее состояние ступени; 0 - отказ ступени. При этом условии трехступенчатая иерархическая система может находиться в семи состояниях. Для этих состояний имеем:

Общее время безотказной работы:

Рассчитанное общее время безотказной работы, равное 10 суткам, является достаточным для систем с пониженными требованиями к надежности и долговечности.

Центральный орган управления представляет собой III ступень иерархии и более надежен, чем объекты нижестоящих ступеней.

Полагая, что л1=aл2, л2=aл3 выражение для T0 примет вид:

График зависимости относительного времени безотказной работы иерархической ИИС от значения коэффициента а f(a)=T0(a)/T0 представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - График зависимости относительного времени безотказной

работы иерархической ИИС от значения коэффициента а

Из графика видно, что время безотказной работы ИИС снижается при возрастании коэффициента a. При а>2 время безотказной работы снижается незначительно.

На общее время безотказной работы негативно влияют объекты ступеней с наименьшими значениями времени безотказной работы, а наибольший вклад в надежную работу системы вносят объекты ступеней с наибольшими значениями времени безотказной работы. Таким образом, есть необходимость повышать время безотказной работы ИИС и ее надежность.

5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ИИС

Для оценки эффективности иерархической структуры сравним надежность этой структуры с надежностью централизованной системы.

В качестве показателя надежности принимаем вероятность безотказной работы:

где л - интенсивность отказов системы.

Если в системе имеется n1 объектов управления I ступени, то централизованная система содержит n1 линий связи и ЦОУ. Надежность работы этой системы:

- вероятность безотказной работы ЦОУ;

- вероятность безотказной работы линий связи.

Иерархическая структура содержит nПО промежуточных объектов и nПЛ промежуточных линий связи. Надежность ее работы оценивается выражением:

Формально по критерию надежности иерархическая структура эффективна при выполнении условия:

Определим показатели элементов иерархической структуры, при которых данное условие будет выполняться.

Имеем

Количество промежуточных линий связи:

Количество промежуточных объектов управления:

Тогда

Наибольшей надежностью обладает ЦОУ, поэтому примем допущение , т.е. интенсивность отказов промежуточных объектов в а раз больше интенсивности отказов ЦОУ.

Промежуточные линии связи более короткие, чем линии связи централизованной системы, поэтому их надежность выше:

.

Из условия надежности определяются требования к надежности промежуточных объектов и линий связи иерархической структуры:

Построим графики зависимостей a=f(k), b=f(k), a=f(p), b=f(p):

Рисунок 6 - Графики зависимостей a=f(k) и b=f(k)

Анализируя графики, представленные на рисунке 6, приходим к выводу, что при увеличении коэффициента ветвления иерархической структуры k снижается надежность промежуточных объектов. Т.к. зависимость, характеризующая надежность промежуточных объектов, a=f(k) от коэффициента ветвления возрастает, а зависимость, характеризующая связь над линиями связи, (b=f(k) от коэффициента ветвления) незначительно убывает.

Рисунок 7 - Графики зависимостей a=f(p) и b=f(p)

Анализируя графики, представленные на рисунке 7, приходим к выводу, что при увеличении числа ступеней p надежность промежуточных объектов и линий связи, необходимо повышать, поскольку график зависимости a=f(p) убывает, а график зависимости b=f(p) возрастает и .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках курсовой работы была проанализирована ИИС, определен тип ее топологии, исследованы зависимости величины относительной суммарной длины линий связи в ИИС от взаимного расположения объектов на ступенях, а также от числа ступеней в системе. Кроме того произведена оценка показателей надежности и эффективности ИИС.

На основании полученных результатов сделаны выводы:

1. Увеличение коэффициента а=l2/l3 приводит к убыванию общей длины линии связи. Таким образом, объекты второй ступени должны располагаться довольно близко к объектам первой ступени.

2. Оптимальным значением p можем принять 4. Увеличение числа ступеней p больше оптимального значения приводит к уменьшению суммарной длины линий связи. Дальнейшее увеличение числа ступеней p может привести к возрастанию общего количества используемых объектов системы, что снижает надежность ИИС, так как повышается вероятность воздействия помех, повреждения линий связи, следовательно, снижается надежность доставки сообщений.

3.Время безотказной работы ИИС снижается при возрастании коэффициента a. При а>2 время безотказной работы снижается незначительно. Таким образом, есть необходимость повышать время безотказной работы ИИС и ее надежность.

4. Для повышения надежности промежуточных объектов и линий связи необходимо уменьшать коэффициент a, поскольку , и увеличивать коэффициент b, поскольку .

В процессе выполнения работы были усвоены и закреплены на практике приобретенные в курсе лекций теоретические знания и навыки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

информационная измерительная топология надежность

1. Знамцев Ю.М. Анализ структуры информационно-измерительной системы. Методические указания к курсовой работе по курсу «Информационные сети и телекоммуникации» для студентов специальности 2101. - Саратов: Копипринтер СГТУ, 2004.

2. Вычислительные машины, системы и сети: Уч. для вузов / Под ред. А.П. Пятибратова, - М.: Финансы и статистика, 1991.

3. Дмошинский Г.М., Серегин А.В. Телекоммуникационные сети в России. - М.: Архитектура и строительство в России, 1993.

4. Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник / С.А. Анигин, С.А. Белов, А.В. Берштейн и др. Под ред. Н.А. Мизина, А.П. Кулешова. - М.: Радио и связь, 1990.

5. Фомина Н.Н. Требования к оформлению курсовых и дипломных работ. Методические указания для студентов специальности 2101. - Саратов: Копиприн-тер СГТУ, 2003.

Размещено на Allbest.ru