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（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術(shù)與應(yīng)用征文比賽三等獎(jiǎng)作品）

顧  誠(chéng)

1  引言

    目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為信息載體的應(yīng)用越來(lái)越多，SCADA通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化正在成為趨勢(shì)，越來(lái)越多的監(jiān)控儀器和設(shè)備開(kāi)始提供網(wǎng)絡(luò)接口，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享和交換。與常規(guī)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不同，由于SCADA通訊系統(tǒng)需要與硬件或外設(shè)交換數(shù)據(jù)，所以處理能力較之常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器受到更大的限制。然而，現(xiàn)有的研究，不論是基于局域網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[1][2]，還是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與操作[3][4]，均簡(jiǎn)單地假設(shè)通訊系統(tǒng)設(shè)備的服務(wù)能力可以滿足應(yīng)用需要，缺乏定量的分析計(jì)算。

    事實(shí)上，一方面，SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備需要快速，甚至實(shí)時(shí)響應(yīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)；另一方面提升SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的服務(wù)能力受硬件速度和服務(wù)類(lèi)型等因素的牽制，比提升常規(guī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器性能困難。所以，需要在設(shè)計(jì)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，對(duì)它的負(fù)荷能力和可能的任務(wù)需求作縝密的分析，確保它能在預(yù)計(jì)的時(shí)間之內(nèi)對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求做出準(zhǔn)確有效的回應(yīng)。為此，筆者在分析SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)排隊(duì)論中的馬爾可夫鏈理論建立了“多處理器SCADA通訊系統(tǒng)能力模型”。

2   SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)特點(diǎn)

    為了對(duì)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的能力進(jìn)行定量描述，先定義有關(guān)概念。

    (1)  SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的單處理器任務(wù)處理速率：μ（任務(wù)/秒）
    μ表示當(dāng)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備中只有一個(gè)處理器時(shí)，它處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的速度。從理論上講，可以通過(guò)提升SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的硬件水平來(lái)提高μ。但是，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的處理時(shí)間并不是僅僅取決于服務(wù)方的能力。如果該網(wǎng)絡(luò)任務(wù)是交互式的，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)需要服務(wù)方和請(qǐng)求源（可能是操作員，也可能是其它設(shè)備）共同完成，那么，參加交互的另一方和連接兩方的網(wǎng)絡(luò)通道都可能成為制約整個(gè)任務(wù)完成時(shí)間的瓶頸。也就是說(shuō)，雖然可以用提升SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備硬件能力的方法來(lái)提高μ，但μ的提高受到上述瓶頸的限制。如果在服務(wù)方的處理能力不受任何限制的假設(shè)下，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的平均處理時(shí)間為τ（秒），即使SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備提供超過(guò)1/τ（任務(wù)/秒）的硬件處理能力，μ最大也只能達(dá)到1/τ 。由于硬件的技術(shù)水平發(fā)展很快，以硬件為基礎(chǔ)提升SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的處理能力并不困難，所以在筆者的模型中假定SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的處理器具備足夠的處理能力，滿足μ=1/τ 。

    (2)  SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備中的處理器數(shù)：c
    c表示在SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備中包含的處理器數(shù)目。受網(wǎng)絡(luò)任務(wù)交互性的制約，單個(gè)處理器只能按速率μ處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。如果SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備希望用比μ更高的速率來(lái)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，顯然不能依靠提升單個(gè)處理器的能力，而是應(yīng)該增加處理器的數(shù)目。

    (3)  訪問(wèn)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)發(fā)生率：λ（任務(wù)/秒）
    λ表示網(wǎng)絡(luò)中所有對(duì)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)訪問(wèn)請(qǐng)求的發(fā)生速率。這些訪問(wèn)請(qǐng)求一般與應(yīng)用邏輯密切關(guān)聯(lián)，SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該及時(shí)應(yīng)答。為了使計(jì)算更加有針對(duì)性，可以不及時(shí)響應(yīng)的開(kāi)放性請(qǐng)求，如與控制操作無(wú)關(guān)的查詢，不包含在λ中。

    (4)  SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的平均等待任務(wù)數(shù)e
    從現(xiàn)有的應(yīng)用情況看，用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)承載軟實(shí)時(shí)任務(wù)的情況已經(jīng)十分普遍。對(duì)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備而言，不僅需要正確響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，而且需要及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，即保證能在某個(gè)時(shí)間之內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)作出回應(yīng)。相對(duì)于平均等待任務(wù)數(shù)，平均等待時(shí)間是更直接的指標(biāo)。但是，由于平均等待時(shí)間與任務(wù)自身的屬性關(guān)系密切，難以抽象成格式較為統(tǒng)一的模型，所以用平均等待任務(wù)數(shù)e表達(dá)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的忙閑情況。當(dāng)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的等待任務(wù)數(shù)小于處理器數(shù)目c時(shí)，平均等待任務(wù)數(shù)e小于1，當(dāng)?shù)却蝿?wù)數(shù)小于2c時(shí)，平均等待任務(wù)數(shù)e小于2。

    通過(guò)對(duì)上述概念的討論，可以歸納出SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)特點(diǎn)。這就是：對(duì)確定的SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備而言，單處理器任務(wù)處理速率μ 和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)發(fā)生率λ 是已知的；平均等待任務(wù)數(shù)e是需要滿足的條件；處理器數(shù)c 是可以調(diào)節(jié)的，設(shè)計(jì)人員用c來(lái)滿足e產(chǎn)生的需求。

    毫無(wú)疑問(wèn)，SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備需要實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。如果平均等待任務(wù)數(shù)e小于等于1，即最多等待一個(gè)任務(wù)的平均執(zhí)行時(shí)間，SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備可以用最簡(jiǎn)單的任務(wù)管理方法提供實(shí)時(shí)服務(wù)。所以在為SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備建立多處理器能力模型時(shí)，假定e小于等于1。

3  多處理器能力模型

    網(wǎng)絡(luò)任務(wù)有自己的行為特征。不同的研究人員試圖用各自的數(shù)學(xué)方法模擬網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)處理過(guò)程，排隊(duì)論是其中使用最為普遍和成功的工具之一。許多文獻(xiàn)[5]指出，在開(kāi)放的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)請(qǐng)求是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。具體地講，在一般情況下，任務(wù)的到達(dá)時(shí)間服從泊松分布，到達(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間均呈指數(shù)分布。另外，由于多數(shù)SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的功能比較復(fù)雜，需要并行處理能力，所以，假定由多個(gè)任務(wù)處理器構(gòu)成。

    由此，結(jié)合SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)，可以用M/M/c模型來(lái)描述SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)活動(dòng)情況。SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備M/M/c模型的含義是：(1) 任務(wù)的到達(dá)時(shí)間服從泊松分布；(2) 服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布；(3) 有c個(gè)任務(wù)處理器，即該SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備能同時(shí)處理c個(gè)任務(wù)。
由排隊(duì)論的相關(guān)結(jié)論，在M/M/c模型下SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)數(shù)構(gòu)成一個(gè)取值于{0,1,2,^...,∞}的連續(xù)時(shí)間Markov鏈。令任務(wù)到達(dá)率為λ，單處理器的任務(wù)處理率為μ，每個(gè)處理器的能力相同，共有c個(gè)處理器，由此得到一個(gè)有限狀態(tài)生滅過(guò)程，其狀態(tài)概率方程：

    因穩(wěn)態(tài)解與時(shí)間無(wú)關(guān)，記p_k (t)= p_k ，k>0，由于p_k'(t)=0，所以有：

    令 a=λ/μ, ρ=λ/ (cμ)= a/c，                                   
    p_j 表示排隊(duì)任務(wù)數(shù)為j的概率，可解得：

    只有當(dāng)總?cè)蝿?wù)數(shù)超過(guò)c時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)等候的任務(wù)，所以等候的任務(wù)數(shù)為：

    因?yàn)槠骄却蝿?wù)數(shù)e=E/c，為了使SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備能實(shí)時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，e應(yīng)該小于等于1，所以E ≤c，再代入ρ=a/c，有：
    a^c+1 p₀ ≤c! (c-a)²

    由此得到SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的多處理器能力模型。由網(wǎng)絡(luò)任務(wù)發(fā)生率λ和單處理器的任務(wù)處理速率μ可以計(jì)算出a。在已知a后，可以由(1)計(jì)算出c，即需要配置的處理器數(shù)目。

4  在電力SCADA通訊單元設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，通訊單元是重要的組成部分，它必須保障與系統(tǒng)中的RTU和綜合自動(dòng)化裝置的聯(lián)絡(luò)。由于SCADA需要覆蓋一定的區(qū)域，不僅包含各類(lèi)不同廠商型號(hào)的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通訊的線路質(zhì)量和應(yīng)用層規(guī)約也各不相同。所以，在設(shè)計(jì)SCADA通訊單元時(shí)應(yīng)該將軟件與硬件分開(kāi)。用軟件來(lái)適應(yīng)設(shè)備、線路質(zhì)量和應(yīng)用層規(guī)約的多樣性及擴(kuò)展，用硬件來(lái)保障總體通訊能力。

    利用SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的多處理器能力模型，可以根據(jù)應(yīng)用需求計(jì)算出SCADA通訊單元的硬件配置。

    例如，在某SCADA通訊單元設(shè)計(jì)時(shí)考慮需求如下：遠(yuǎn)程裝置60套；每個(gè)裝置平均間隔5分鐘通訊一次；每次平均通訊時(shí)間20秒；即單處理器任務(wù)處理速率μ=0.05任務(wù)/秒，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)發(fā)生率λ=0.2任務(wù)/秒，所以
    a=0.2/0.05=4
    將a代入(1)，可解得：c>4，取c=5。
    也就是說(shuō)，在該SCADA的通訊單元中配置5個(gè)任務(wù)處理速率為0.05任務(wù)/秒的處理器即可在硬件設(shè)備能力上滿足應(yīng)用需求。

5  結(jié)語(yǔ)

    本文在分析SCADA通訊系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)排隊(duì)論中的馬爾可夫鏈理論建立了“多處理器SCADA通訊系統(tǒng)能力模型”。它能用經(jīng)濟(jì)合理的配置確保在預(yù)計(jì)的時(shí)間之內(nèi)對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求做出準(zhǔn)確有效的回應(yīng)。筆者將該模型用于SCADA通訊單元的設(shè)計(jì)中，大幅度地簡(jiǎn)化了設(shè)備配置，效果非常顯著。