Модели и методы передачи данных видеонаблюдения и технологического контроля в распределенной цифровой системе

Актуальность темы

.

Развитие цифровых сетей передачи данных открывает новые возможности в построении систем удаленного мониторинга. Пропускная способность каналов связи в настоящее время позволяет вести видео контроль над удаленными объектами в реальном масштабе времени, поэтому одним из основных требований, предъявляемых к современным цифровым системам видеонаблюдения, является возможность передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети. Использование этой возможности дает значительный экономический эффект при организации видеонаблюдения на территориально распределенных объектах, а также в многопользовательских системах, когда изображение с одной камеры необходимо просматривать со значительно удаленных друг от друга рабочих мест. Основные трудности заключаются в способах передачи видеосигналов по цифровым сетям вследствие большого объема передаваемых данных, необходимого для видеонаблюдения в реальном масштабе времени. Кроме передачи видеопотоков по сети значительную роль играют процессы компрессии/декомпрессии видеоизображений. Поэтому, если в глобальных сетях (Интернет) решающую роль при передаче видеоданных играет пропускная способность канала, то в ЛВС зачастую слабым звеном оказываются ограниченные вычислительные мощности отдельных компьютеров. При этом возникает необходимость в алгоритмах регулирования процессов передачи данных с целью обеспечения экономного и эффективного использования каналов связи в задачах видеонаблюдения.

При организации видеонаблюдения на объектах с целью обеспечения безопасности или контроля над технологическими процессами возникает задача сопоставления данных видеонаблюдения с показаниями различных датчиков и измерительных приборов: электронных термометров, манометров, считывателей кодов электронных пропусков, датчиков движения, открывания дверей, срабатывания сигнализации и т. д. (далее — технологические данные). Обычно технологические параметры получаются с помощью микроконтроллеров, которые передают их по промышленной сети в центр сбора и обработки данных. При этом большое внимание уделяется надежности системы и задаче минимизации времени реакции системы на какое-либо событие, поэтому важен способ передачи данных и распределения канала между множеством передающих устройств. Сведение задач видеонаблюдения и технологического контроля в рамки одной системы позволяет синхронизовать видео и технологические данные во времени, помогает удаленному пользователю быстрее воссоздать точную картину происходящего на объекте.

Объединение задач видеонаблюдения и технологического контроля приводит к необходимости использования общих каналов связи и протоколов передачи данных. Задачи технологического контроля, в отличие от задач видеонаблюдения, налагают повышенные требования к надежности канала связи и гарантированности доставки данных. Особое внимание следует уделить способу отображения данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба.

Постановка задачи.

В работе рассматривается передача данных в информационной системе, основными составляющими которой являются:

• видеосерверы, захватывающие изображение с подключенных к ним камер и осуществляющие отображение данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба;

• видеоклиенты, отображающие видеоизображения и данные технологического контроля, полученные от видеосерверов;

• контроллеры, получающие путем опроса своих датчиков технологические данные и передающие их видеосерверам;

• промышленная сеть, объединяющая контроллеры между собой и с видеосервером;

• компьютерная сеть, объединяющая видеосерверы и видеоклиенты, поддерживающая передачу данных по протоколам семейства IP.

В работе не рассматриваются способы получения данных от датчиков, сами датчики и содержимое программ контроллеров. Считается, что у контроллеров существует постоянная потребность в передаче данных. Не рассматриваются типы видеокамер, способ оцифровки телевизионного сигнала и алгоритмы компрессии видеоданных. Под видеоизображением подразумевается последовательность цифровых растровых изображений (видеокадров).

Цель работы заключается в разработке методов передачи информации, обеспечивающих эффективное использование каналов передачи данных при выполнении задач видеонаблюдения и сбора технологических данных в распределенных многопользовательских системах. При этом ставились следующие задачи: построение имитационной модели сети Ethernet для исследования поведения ЛВС при интенсивной передаче данных, разработка инструмента для идентификации модели ЛВСимитационное моделирование протоколов передачи данных в промышленных сетях и разработка механизмов разграничения доступа к передающей среде, обеспечивающих наиболее быстрое получение данных по запросу извнеразработка алгоритмов передачи видео и технологической информации, обеспечивающих регулируемое использование каналов передачи данных.

Методы исследования.

Решение рассматриваемых в диссертационной работе задач базируется на применении методов математического моделирования и программирования.

Научная новизна.

Разработаны алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном масштабе времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах.

Разработаны алгоритмы динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

Путем компьютерного имитационного моделирования получены зависимости числа коллизий и потерянных пакетов от длины передаваемых пакетов и числа передающих устройств при максимальной нагрузке на сегмент сети Ethernet.

Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

Разработаны универсальные правила моделирования передачи данных в промышленных сетях типа «ведущий-ведомый».

Предложен новый протокол передачи данных в промышленных сетях, объединяющий достоинства централизованного и децентрализованного методов разграничения доступа устройств к каналу передачи данных.

Практическая ценность.

Использование возможности передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети дает значительный экономический эффект при организации видеонаблюдения на территориально распределенных объектах, а также в многопользовательских системах, когда изображение с одной камеры необходимо просматривать со значительно удаленных друг от друга рабочих мест. В работе предлагаются принципы программной организации передачи видеопотоков реального времени по распределенной сети, состоящей из множества видеосерверов и компьютеров-клиентов, с использованием протокола TCP/IP, обеспечивающие регулирование скорости передачи данных в зависимости от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов серверов и клиентов. Разработанные методы позволяют экономно и предсказуемо использовать ресурсы компьютерной сети, на которую возлагаются задачи видеонаблюдения.

Разработанный инструмент идентификации модели ЛВС (сервер динамического слежения за работоспособностью сети) может использоваться сетевыми администраторами компьютерных сетей большого размера для автоматизации сбора информации о структуре сети и параметрах ее работы. Программа контролирует работу устройств, подключенных к локальной сети (определяет время их включения и отключения), а также появление новых сетевых устройств по различным протоколам (TCP/IP и NetBIOS), что делает практически невозможной скрытную работу в сетиопределяет случаи несогласованного использования IP-адресов, вычисляет устройства с настройками, мешающими правильной работе сети. Предложенный метод тестирования, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС, имеет большое практическое значение при определении качества ЛВС. Разработанные методы могут также использоваться для предсказания результатов изменений, проводимых в сети.

При разработке промышленной сети важно заранее оценить, отвечает ли выбранное решение различным требованиям, налагаемым на сеть областью ее применения. Предложенная система имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях имеет практическое применение для определения соответствия проекта промышленной сети возлагаемым на него задачам. Разработанные методы позволяют оптимально выбирать не только параметры конкретного протокольного решения, но и сам протокол передачи данных.

Предложенный протокол передачи данных в промышленных сетях оптимизирует процесс сбора данных из сегмента промышленной сети в один узел", выступающий в роли «центра управления» или маршрутизатора в соседние сегменты, интранетили интернет-пространство. Наиболее выгодным нам представляется использование данного протокола в системах со многими узлами управления, отвечающими за работу определенной части устройств (микроконтроллеры, контролирующие процесс в соответствии с алгоритмом, или пульты управления операторов), и одним или несколькими «центрами управления» (в роли которых выступают компьютеры), ответственными за работу всей системы в целом. Такая комбинация позволяет, с одной стороны, широко использовать относительно дешевые вычислительные ресурсы компьютера, а, с другой стороны, обеспечивает достаточный уровень отказоустойчивости (выход из строя «центра управления» не приведет к прекращению работы всей сети).

Объединение системы сбора и обработки технологических данных и системы видеонаблюдения позволяет комплексно решать задачи видео и технологического мониторинга в реальном масштабе времени. Изначально заложенные в систему механизмы передачи данных по цифровым сетям делают ее легко масштабируемой, позволяют создавать территориально распределенные, многопользовательские системы контроля.

Апробация работы.

Сервер динамического слежения за работоспособностью сети используется сетевыми администраторами Пермского университета для контроля над конфигурацией ЛВС. На программу получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 001 610 181.

Работы по имитационному моделированию сегмента сети Ethernet и промышленных сетей представлены на третьей и четвертой всероссийской научной internet-конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (г. Тамбов, 2001,2002гг.).

Методы передачи видеоинформации, сбора и передачи технологических данных реализованы в цифровой системе видео и технологического мониторинга «PANDORA» ЗАО НПО «Лаби».

По протоколу «LabiNet» организована связь между контроллерами сбора технологических данных и видеосерверами системы «PANDORA» ЗАО НПО «Лаби».

Система видеонаблюдения «Pandora» оценена дипломом II степени в конкурсе «Системы охранного телевидения и наблюдения», проводившемся на международной выставке «Охрана и безопасность» в Санкт-Петербурге, 2003 г.

На защиту выносятся следующие результаты.

1. Алгоритмы и программа динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

2. Данные имитационного компьютерного моделирования интенсивной передачи данных в сегменте сети Ethernet.

3. Методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

4. Методы и программа имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера.

5. Новый протокол передачи данных в промышленных сетях, оптимизированный под задачи быстрого получения технологических параметров по запросу из центра контроля.

6. Алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах.

7. Метод регулирования клиентом скорости передачи видеокадров от сервера клиенту в зависимости от пропускной способности сети, скорости декомпрессии видеокадров клиентом, нагрузки на процессор компьютера-клиента.

8. Программно-аппаратный комплекс «Распределенная многопользовательская цифровая система видеонаблюдения и технологического контроля Pandora».

Структура диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, библиографического списка и трех приложений.

В первой главе приведен обзор существующих методов передачи данных видеонаблюдения и сбора технологических данных, проведено сравнение методов тестирования сети Ethernet, раскрывается содержание поставленных задач.

В первой части главы 2 рассматривается программа «Сервер динамического слежения за работоспособностью сети», во второй части описывается имитационная модель сегмента сети Ethernet, предлагаются методы построения моделей реальных сегментов, приводится пример тестирования реального сегмента сети.

Третья глава посвящена передаче данных в промышленных сетях. Рассматриваются способы моделирования промышленных сетей, представлена разработанная система моделирования передачи данных в промышленных сетях типа «ведущий-ведомый». На основе проведенных исследований предлагается новый протокол передачи данных.

В четвертой главе рассматриваются методы передачи данных видеонаблюдения в реальном масштабе времени, предлагаются алгоритмы регулирования скорости передачи видеоданных и способы объединения задач видеонаблюдения и технологического контроля. Описана реализация предложенных алгоритмов в программно-аппаратном комплексе видеонаблюдения и технологического контроля «Pandora» .

Заключение

.

В работе получены следующие результаты.

1. На основе проведенных изысканий создан программно-аппаратный комплекс удаленного видеонаблюдения и технологического контроля «Pandora», позволяющий создавать распределенные многопользовательские системы удаленного мониторинга.

2. Синтезированы и опробованы алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах. Предлагаются методы регулирования клиентом скорости передачи видеоданных от сервера клиенту в зависимости от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов серверов и клиентов.

3. Разработана программа имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера. Для унификации системы моделирования разработан минимальный набор команд, с помощью которого можно имитировать работу устройства в сети. Построены правила, позволяющие указывать для каждого ведущего устройства свой способ передачи маркера ведущего.

4. Применение данной системы моделирования позволило разработать новый протокол передачи данных в промышленных сетях, оптимизированный под задачи быстрого получения технологических параметров по запросу из центра контроля. Протокол используется в ПАК «Pandora» для сбора технологических данных с контроллеров промышленной сети.

5. Путем компьютерного моделирования получены зависимости числа коллизий, потерянных пакетов и КПД моноканала от длины передаваемых пакетов в сегменте сети Ethernet, состоящем из множества устройств, испытывающих постоянную необходимость в передаче данных.

6. Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Показано, что в большинстве случаев передача данных в ЛВС может моделироваться с помощью модели, число источников которой значительно меньше числа реальных узлов сети. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС: если число коллизий, реально происходящих в сегменте, значительно больше числа, полученного в процессе моделирования, следует полагать, что в данном сегменте присутствует какая-либо неисправность.

7. Разработана программа динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера. Предложенный метод активного одновременного опроса группы устройств позволяет быстро получать данные о наличии и работоспособности сетевых устройств.