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

顧  誠

1  引言

    目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域以計算機網(wǎng)絡(luò )為信息載體的應用越來(lái)越多，SCADA通訊系統的網(wǎng)絡(luò )化正在成為趨勢，越來(lái)越多的監控儀器和設備開(kāi)始提供網(wǎng)絡(luò )接口，利用計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現信息共享和交換。與常規的計算機網(wǎng)絡(luò )服務(wù)不同，由于SCADA通訊系統需要與硬件或外設交換數據，所以處理能力較之常規的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器受到更大的限制。然而，現有的研究，不論是基于局域網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò )應用[1][2]，還是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為平臺的遠程數據采集與操作[3][4]，均簡(jiǎn)單地假設通訊系統設備的服務(wù)能力可以滿(mǎn)足應用需要，缺乏定量的分析計算。

    事實(shí)上，一方面，SCADA通訊系統設備需要快速，甚至實(shí)時(shí)響應來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)；另一方面提升SCADA通訊系統設備的服務(wù)能力受硬件速度和服務(wù)類(lèi)型等因素的牽制，比提升常規網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器性能困難。所以，需要在設計SCADA通訊系統設備時(shí)，對它的負荷能力和可能的任務(wù)需求作縝密的分析，確保它能在預計的時(shí)間之內對來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的請求做出準確有效的回應。為此，筆者在分析SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)特點(diǎn)的基礎上，根據排隊論中的馬爾可夫鏈理論建立了“多處理器SCADA通訊系統能力模型”。

2   SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)特點(diǎn)

    為了對SCADA通訊系統設備響應網(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通訊系統設備的單處理器任務(wù)處理速率：μ（任務(wù)/秒）
    μ表示當SCADA通訊系統設備中只有一個(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通訊系統設備的硬件水平來(lái)提高μ。但是，多數網(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)方和請求源（可能是操作員，也可能是其它設備）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通訊系統設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通訊系統設備提供超過(guò)1/τ（任務(wù)/秒）的硬件處理能力，μ最大也只能達到1/τ 。由于硬件的技術(shù)水平發(fā)展很快，以硬件為基礎提升SCADA通訊系統設備的處理能力并不困難，所以在筆者的模型中假定SCADA通訊系統設備的處理器具備足夠的處理能力，滿(mǎn)足μ=1/τ 。

    (2)  SCADA通訊系統設備中的處理器數：c
    c表示在SCADA通訊系統設備中包含的處理器數目。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通訊系統設備希望用比μ更高的速率來(lái)響應網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，顯然不能依靠提升單個(gè)處理器的能力，而是應該增加處理器的數目。

    (3)  訪(fǎng)問(wèn)SCADA通訊系統設備的網(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SCADA通訊系統設備的實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)請求的發(fā)生速率。這些訪(fǎng)問(wèn)請求一般與應用邏輯密切關(guān)聯(lián)，SCADA通訊系統設備應該及時(shí)應答。為了使計算更加有針對性，可以不及時(shí)響應的開(kāi)放性請求，如與控制操作無(wú)關(guān)的查詢(xún)，不包含在λ中。

    (4)  SCADA通訊系統設備的平均等待任務(wù)數e
    從現有的應用情況看，用計算機網(wǎng)絡(luò )承載軟實(shí)時(shí)任務(wù)的情況已經(jīng)十分普遍。對SCADA通訊系統設備而言，不僅需要正確響應網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，而且需要及時(shí)響應網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，即保證能在某個(gè)時(shí)間之內對網(wǎng)絡(luò )任務(wù)作出回應。相對于平均等待任務(wù)數，平均等待時(shí)間是更直接的指標。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一的模型，所以用平均等待任務(wù)數e表達SCADA通訊系統設備的忙閑情況。當SCADA通訊系統設備的等待任務(wù)數小于處理器數目c時(shí)，平均等待任務(wù)數e小于1，當等待任務(wù)數小于2c時(shí)，平均等待任務(wù)數e小于2。

    通過(guò)對上述概念的討論，可以歸納出SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)特點(diǎn)。這就是：對確定的SCADA通訊系統設備而言，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e是需要滿(mǎn)足的條件；處理器數c 是可以調節的，設計人員用c來(lái)滿(mǎn)足e產(chǎn)生的需求。

    毫無(wú)疑問(wèn)，SCADA通訊系統設備需要實(shí)時(shí)響應能力。如果平均等待任務(wù)數e小于等于1，即最多等待一個(gè)任務(wù)的平均執行時(shí)間，SCADA通訊系統設備可以用最簡(jiǎn)單的任務(wù)管理方法提供實(shí)時(shí)服務(wù)。所以在為SCADA通訊系統設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學(xué)方法模擬網(wǎng)絡(luò )中的任務(wù)處理過(guò)程，排隊論是其中使用最為普遍和成功的工具之一。許多文獻[5]指出，在開(kāi)放的計算機網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò )任務(wù)請求是符合統計規律的。具體地講，在一般情況下，任務(wù)的到達時(shí)間服從泊松分布，到達時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間均呈指數分布。另外，由于多數SCADA通訊系統設備的功能比較復雜，需要并行處理能力，所以，假定由多個(gè)任務(wù)處理器構成。

    由此，結合SCADA通訊系統設備的應用特點(diǎn)，可以用M/M/c模型來(lái)描述SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)活動(dòng)情況。SCADA通訊系統設備M/M/c模型的含義是：(1) 任務(wù)的到達時(shí)間服從泊松分布；(2) 服務(wù)時(shí)間服從指數分布；(3) 有c個(gè)任務(wù)處理器，即該SCADA通訊系統設備能同時(shí)處理c個(gè)任務(wù)。
由排隊論的相關(guān)結論，在M/M/c模型下SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)數構成一個(gè)取值于{0,1,2,^...,∞}的連續時(shí)間Markov鏈。令任務(wù)到達率為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 表示排隊任務(wù)數為j的概率，可解得：

    只有當總任務(wù)數超過(guò)c時(shí)，才會(huì )出現等候的任務(wù)，所以等候的任務(wù)數為：

    因為平均等待任務(wù)數e=E/c，為了使SCADA通訊系統設備能實(shí)時(shí)響應網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，e應該小于等于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通訊系統設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可以計算出a。在已知a后，可以由(1)計算出c，即需要配置的處理器數目。

4  在電力SCADA通訊單元設計中的應用

    在電網(wǎng)數據采集監控系統中，通訊單元是重要的組成部分，它必須保障與系統中的RTU和綜合自動(dòng)化裝置的聯(lián)絡(luò )。由于SCADA需要覆蓋一定的區域，不僅包含各類(lèi)不同廠(chǎng)商型號的設備，網(wǎng)絡(luò )通訊的線(xiàn)路質(zhì)量和應用層規約也各不相同。所以，在設計SCADA通訊單元時(shí)應該將軟件與硬件分開(kāi)。用軟件來(lái)適應設備、線(xiàn)路質(zhì)量和應用層規約的多樣性及擴展，用硬件來(lái)保障總體通訊能力。

    利用SCADA通訊系統設備的多處理器能力模型，可以根據應用需求計算出SCADA通訊單元的硬件配置。

    例如，在某SCADA通訊單元設計時(shí)考慮需求如下：遠程裝置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備能力上滿(mǎn)足應用需求。

5  結語(yǔ)

    本文在分析SCADA通訊系統設備的網(wǎng)絡(luò )任務(wù)特點(diǎn)的基礎上，根據排隊論中的馬爾可夫鏈理論建立了“多處理器SCADA通訊系統能力模型”。它能用經(jīng)濟合理的配置確保在預計的時(shí)間之內對來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的請求做出準確有效的回應。筆者將該模型用于SCADA通訊單元的設計中，大幅度地簡(jiǎn)化了設備配置，效果非常顯著(zhù)。