Комплексная система радиосвязи МЧС России нового поколения с самонастраивающейся инфраструктурой радиосетей обмена данными по IP-протоколу

Эффективное выполнение оперативных задач подразделениями МЧС России в современных условиях неразрывно связано с оперативно-техническими возможностями системы управления, связи и информационного обеспечения спасательных и пожарных подразделений в процессе реагирования на чрезвычайные ситуации. Возросшие объемы используемой при этом информации требуют изменения подходов к ее использованию и автоматизации процессов обмена данными и их обработки, а появление новых угроз, связанных с терроризмом и увеличившимися масштабами природных и техногенных катастроф, обусловливают необходимость коренного улучшения взаимодействия между подразделениями служб общественной безопасности различной ведомственной принадлежности. [1]
С целью получения целостного представления о возможностях современных систем рассматриваемого класса характеристики и технические возможности различных существующих и проектируемых систем объединены в одну виртуальную комплексную систему радиосвязи нового поколения с автоматической коммутацией и самонастраивающейся инфраструктурой подвижных и стационарных радиосетей обмена данными по IP-протоколу под условным наименованием «Ариадна». Комплексная система радиосвязи «Ариадна» может стать эффективной основой для разработки перспективной системы управления и информационного обеспечения МЧС России, обеспечивающей взаимодействие между подразделениями служб общественной безопасности при проведении совместных операций.

Обзор состояния проблемы
Реагирование на чрезвычайные ситуации и решение задач гражданской обороны подразделениями экстренных служб различной ведомственной принадлежности в современных условиях связано с использованием различных видов информации, объем которой постоянно растет. С целью обеспечения соответствия современным требованиям и угрозам подразделения экстренных служб оснащаются многофункциональными информационными системами и специализированными комплексами обработки данных [2]. Основная часть таких систем и комплексов использует открытые протоколы сетевого взаимодействия, прежде всего IP-протокол, который может применяться при обмене мультимедийной информацией (включая голосовые сообщения). Применение IP-протокола позволяет обеспечить совместимость информационных систем и возможность их «прозрачного» взаимодействия.
Информационные системы на основе IP-протокола обслуживают все уровни управления. Однако до последнего времени их применение в нижнем звене, то есть в подразделениях, выполняющих задачи непосредственно в зоне чрезвычайной ситуации, было серьезно ограничено, в первую очередь, в связи с недостаточной пропускной способностью каналов связи, используемых данными подразделениями. Развитие инновационных технологий в области построения радиосетей обмена данными УКВ-диапазона позволило в значительной степени снять существовавшие ограничения и обеспечить применение IP-протокола в технологических радиосетях различного назначения, создав основу для сопряжения радиосетей различной ведомственной принадлежности между собой.
Технологические радиосети обмена данными создаются для решения комплекса функциональных задач, связанных с организацией мониторинга состояния (сбора данных о техническом и/или оперативном состоянии), оперативно-диспетчерского управления и информационного обеспечения в условиях, когда использование других средств связи невозможно или нецелесообразно[8].
Область применения технологических радиосетей обмена данными определяется следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:

  • надежность среды передачи (линия передачи не подвергается механическим повреждениям и разрушающему влиянию окружающей среды, а ее качество контролируется соответствующими государственными органами);
  • обширная оперативная зона с возможностью ретрансляции сигнала (реально построенные радиосети УКВ-диапазона имеют сплошную оперативную зону общей площадью более миллиона кв. км);
  • относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных;
  • высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
  • относительно низкая стоимость эксплуатации, поскольку радиосеть принадлежит пользователю и доставка данных, независимо от их объема, не требует оплаты;
  • простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе за счет использования подвижного оборудования связи.

Технологические радиосети подразделяются на стационарные и подвижные и используются для обмена голосовой информацией и мультимедийными данными. Отдельные типы радиосетей позволяют обмениваться как голосовой информацией, так и данными. Голосовые технологические радиосети получили широкое распространения во всех экстренных службах. Они построены на различных технологиях, работающих в различных частях УКВ-диапазона и используют разнотипное оборудование, как правило, не совместимое между собой. В связи с этим основной задачей в области совершенствования голосовых технологических радиосетей является обеспечение их совместимости и возможности взаимоувязанного функционирования с использованием уже имеющейся и планируемой к приобретению аппаратуры связи.
В связи с расширением областей применения и масштабов технологических радиосетей, их использованием в ответственных приложениях, разработчиками ведутся активные работы, направленные на повышение надежности и живучести таких радиосетей. Эти параметры являются наиболее важными и значимыми при выборе технического решения для технологической радиосети.

Варианты построения технологических радиосетей обмена данными
Современные программно-технические средства позволяют создавать относительно недорогие, эффективные и гибкие радиосети обмена данными, способные функционировать на протяжении многих лет с минимальным техническим обслуживанием. Типовая упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными представлена на рис. 1. [3]


Рис. 1. Упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными

Источником данных на удаленном объекте является датчик (группа датчиков) или пользователь (группа пользователей). Информация от источника принимается и обрабатывается программируемым контроллером или удаленным терминалом, который подключается к радиомодему по стандартному интерфейсу (как правило, RS-232 или Ethernet). Радиомодем служит для преобразования поступающих цифровых данных в аналоговый сигнал, который посредством радиопередатчика передается в пункт управления (например, диспетчерскую или полевой пункт управления). Здесь процесс обработки происходит в обратном порядке: модем преобразует поступивший от радиоприемника аналоговый сигнал в цифровую форму, пригодную для его дальнейшей автоматизированной обработки.
В типовых приложениях обмен данными производится под управлением центрального объекта (топология «звезда»), работающего через ведущий радиомодем (базовую станцию) по принятым для конкретной радиосети протоколам обмена данными.
Возможные варианты построения технологических радиосетей обмена данными представлены на рис. 2.
Таким образом, создается радиосеть обмена данными с полностью детерминированными параметрами, исключающая флуктуации информационного потока, способные привести к сбоям в ее работе, и поддерживающая работу удаленных устройств и пользователей в режиме времени, близком к реальному.
Наиболее высокая надежность работы достигается в системах, в которых обеспечивается прямая радиовидимость между объектами, то есть радиосигнал беспрепятственно распространяется от передающей до приемной антенны. Номинально в создаваемых радиосетях радиовидимость составляет около 30 км на открытой местности и около 10 км в условиях города со средней плотностью застройки.


Рис. 2. Варианты построения технологических радиосетей обмена данными

Стационарные технологические радиосети обмена данными
В составе стационарных технологических радиосетей обмена данными применяются различные модели радиомодемов, обеспечивающие работу в режиме «точка – много точек». Поскольку, в отличие от подвижных радиосетей, позиции оборудования в таких сетях остаются неизменными на протяжении всего периода работы, функциональные требования к применяемому в их составе оборудованию ограничены и не предусматривают требования по обеспечению работы с удаленными объектами, перемещающимися между оперативными зонами соседних базовых станций. Радиомодемы в таких радиосетях функционируют в условиях минимального изменения условий приема радиосигнала. При правильно спроектированной радиосети уровень принимаемого сигнала на каждой приемо-передающей позиции соответствует номинальному для используемой модели оборудования, поэтому специальные методы повышения помехоустойчивости в таких радиосетях, в отличие от подвижных радиосетей, как правило, не применяются. Таким образом, радиомодемы для стационарных технологических радиосетей обмена данными представляют собой относительно простые устройства, в которых не реализуются функциональные возможности, обязательные для радиомодемов, применяемых в подвижных радиосетях обмена данными.
Современные стационарные радиосети строятся на специализированных радиомодемах. Общими требованиями к этим устройствам считаются [4]:

  • «прозрачный» режим работы (используется протокол верхнего уровня, что упрощает интеграцию с различными типами оборудования);
  • малое время доступа к радиоканалу (основное время при передаче затрачивается на выполнение процедур связи, поскольку объем данных, передаваемых от контролируемых объектов за один сеанс связи, относительно мал и обычно составляет десятки байт);
  • высокая пропускная способность (в составе системы может функционировать значительное количество объектов, последовательный опрос которых должен производиться за короткий промежуток времени, обычно от нескольких десятков секунд до нескольких минут);
  • удаленная диагностика и настройка (поскольку создаваемые системы размещаются, как правило, на обширной территории, наличие данной функции позволяет обеспечить их надежное функционирование и снизить затраты на обслуживание в процессе эксплуатации);
  • ограниченная оперативная зона (стационарная радиосеть может функционировать на обширных территориях, но ее оперативная зона формируется индивидуальными базовыми станциями, которые не взаимодействуют между собой);
  • низкая стоимость эксплуатации (основные затраты на создание технологической радиосети связаны с ее развертыванием, затраты на этапе эксплуатации должны быть относительно низкими);
  • простота в расширении радиосети (расширение должно производиться без замены использующегося оборудования).

Основными приложениями для служб общественной безопасности, в которых применяются узкополосные стационарные технологические радиосети обмена данными, являются распределенные автоматизированные системы сбора данных о состоянии окружающей среды и системы оповещения.
Примером успешной реализации стационарной технологической радиосети для решения задачи контроля окружающей среды является Автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО) Ленинградской АЭС (ЛАЭС), предназначенная для автоматического мониторинга радиационной обстановки в 30-километровой зоне вокруг станции (см. рис. 3).


Рис. 3. Размещение измерительных постов АСКРО ЛАЭС

Базовым элементом измерительного поста является датчик RD-02L производства финской компании Rados Technology. 25 измерительных постов системы подключены к центру контроля радиационной обстановки ЛАЭС по каналам технологической радиосети обмена данными. Ежесуточный отчет по результатам анализа собранных данных передается в мэрию Соснового Бора, аварийные центры в Москве и Санкт-Петербурге, а также компетентным финским организациям.
АСКРО ЛАЭС представляет собой неотъемлемый элемент, необходимый для обеспечения деятельности комиссии по чрезвычайным ситуациям города, который может быть расширен до масштабов региональной системы за счет наращивания численности измерительных постов и их подключения по каналам единой стационарной технологической радиосети обмена данными. Стационарная технологическая радиосеть АСКРО может рассматриваться в качестве типового элемента СРС «Ариадна», предназначенного для сбора данных о состоянии окружающей среды.

Подвижные технологические радиосети обмена данными
В составе подвижных технологических радиосетей используются радиомодемы, устанавливаемые на стационарных (базовые станции) и подвижных объектах. К каждому из таких модемов предъявляются требования, обусловленные их функциональным назначением и условиями эксплуатации.
Радиомодемы базовых станций (БС) подвижной технологической радиосети представляют собой специализированное радиотехническое оборудование, предназначенное для эксплуатации в стационарных условиях. В современных радиосетях они обеспечивают реализацию функций, связанных с надежным функционированием радиосети с постоянно меняющейся конфигурацией и условиями приема сигнала. Данные функции включают в себя автоматический перевод подвижных объектов из оперативной зоны одной БС в оперативную зону другой, гарантированное доведение передаваемых сообщений собственными встроенными средствами, автоматическое распределение нагрузки в радиосети и многие другие функции, связанные с ее работой.
Радиомодемы для подвижных объектов представляют собой специализированное радиотехническое оборудование, предназначенное для эксплуатации на борту подвижных средств и обеспечивающие работу со стационарной базовой станцией и между собой.
Надежность функционирования подвижной технологической радиосети частично обеспечивается встроенными средствами оборудования. Современные подвижные радиосети строятся на специализированных радиомодемах. Общими требованиями к этим устройствам считаются:

  • «пакетный» режим работы (используется встроенный протокол, обеспечивающий функционирование оборудования в составе системы с архитектурой «точка – много точек» с постоянно изменяемыми конфигурацией и передаваемым подвижными объектами объемом данных);
  • относительно высокая скорость обмена данными;
  • малое время доступа к радиоканалу;
  • высокая пропускная способность (в составе системы может функционировать значительное количество объектов, взаимодействие с которыми должно производиться за короткий промежуток времени, обычно от нескольких десятков секунд до десятков минут);
  • относительно высокая выходная мощность (постоянно изменяемые условия приема и работа на отраженном от местных предметов сигнале требуют более высокой по сравнению со стационарными радиосетями выходной мощности оборудования);
  • работа оборудования базовой станции в дуплексном режиме, что позволяет сократить период опроса в системах с большим количеством подвижных объектов (подвижные объекты в этом случае используют полудуплексное оборудование);
  • удаленная диагностика и настройка;
  • более высокая по сравнению с радиомодемами для стационарных радиосетей надежность доставки информации в условиях постоянно меняющихся характеристик среды передачи;
  • высокая достоверность данных (использование помехоустойчивого кодирования и функции коррекции ошибки);
  • использование встроенных протоколов обмена данными, реализующих различные варианты взаимодействия с подвижными объектами (инициатором сеанса связи может выступать как базовая станция, так и подвижный объект);
  • обширная оперативная зона (в большинстве случаев в составе подвижной технологической радиосети используется несколько базовых станций, обеспечивающих согласованную работу в единой оперативной зоне);
  • низкая стоимость эксплуатации (основные затраты на создание технологической радиосети связаны с ее развертыванием, затраты на этапе эксплуатации должны быть относительно низкими);
  • эксплуатация в более жестких, по сравнению с радиомодемами для стационарных технологических радиосетей, условиях.

Основными приложениями для экстренных служб, в которых применяются узкополосные подвижные технологические радиосети обмена данными, являются автоматизированные системы оперативного и диспетчерского управления, дистанционного мониторинга и навигации, обеспечения аварийно-ремонтных работ и действий по ликвидации последствий происшествий и чрезвычайных ситуаций, как в районах с хорошо развитой инфраструктурой связи, так и в труднодоступных районах, в которых такая инфраструктура развита слабо или полностью отсутствует [5].
Примером успешной реализации подвижной системы радиосвязи для решения задачи оперативно-диспетчерского управления и информационного обеспечения оперативных служб является автоматизированная система управления и связи полиции Западной Австралии, которая считается одной из наиболее современных и вобравших в себя лучшие технические решения в мировой практике. Подвижная технологическая радиосеть полиции Западной Австралии считается крупнейшей в мире. Она функционирует на площади около 2,5 млн. кв. км с населением 1,9 млн. человек и обеспечивает функционирование 163 полицейских участков с общей численностью персонала более 6000 человек. В составе обслуживаемой радиосетью информационной системы используется более 4700 рабочих мест, имеющих доступ к информации, связанной с выполнением функций оперативно-диспетчерского управления. Технологическая радиосеть полиции Западной Австралии создана компаниями Fujitsu (автоматизированная система диспетчерского управления), Motorola (голосовая радиосеть) и Dataradio (радиосеть обмена данными). В ее составе функционирует более 800 подвижных объектов.
Наиболее высокие требования к технологическим радиосетям обмена данными предъявляются автоматизированными системами оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) подвижными дежурными силами служб общественной безопасности. Один из вариантов такой радиосети реализуется в рамках программно-технического комплекса «Кама-С», в котором, дополнительно к функциям мо­ни­то­ринга и диспетчерского управления, реализу­ется функ­ция информационного обеспечения, позволяющая полу­чать пря­мой (без участия диспетчера) удаленный доступ в те­ма­тические базы данных непосредственно с борта под­виж­но­го объекта в движении, а также передавать по каналам технологической радиосети неформализованные отчеты о проделанной работе.
Технологическая подвижная система радиосвязи строится на специализированном узкополосном или широкополосном оборудовании обмена данными. Ниже рассмотрен вариант построения технологической радиосети для АСОДУ на перспективном широкополосном оборудовании Sentry-4G-900, которое позволяет создать единое информационное пространство, функционирующее по IP-протоколу, для всех служб общественной безопасности. Доступ к технологической радиосети организуется по двум выделенным каналам – 900 МГц IEEE802.16e-2005 WiMax и 2,4 ГГц IEEE802.11b/g WiFi. При наличии в оперативной зоне радиосетей стандарта WiFi общего пользования, они могут использоваться в качестве резервных каналов доставки информации, повышая живучесть разворачиваемой технологической радиосети.
Схема перспективной системы радиосвязи МЧС России для организации обмена данными на радиомодемах Sentry-4G-900 представлена на рис. 4. Представленная схема системы радиосвязи МЧС России для обмена данными может функционировать по IP-протоколу и является «прозрачной» для любого программного обеспечения, поддерживающего работу через локальную или глобальную вычислительную сеть. глобальную вычислительную сеть.
Рис. 4. Схема перспективной системы радиосвязи МЧС России для обмена данными на радиомодемах Sentry-4G-900
Применяемая для работы в составе радиосети аппаратура может автоматически сопрягаться между собой по каналам WiMax или WiFi, используя автоматическую маршрутизацию сообщений и прозрачное объединение обеих технологий, чем обеспечивается высокая надежность и живучесть радиосети и функционирующей на ее базе информационной системы в целом.

Система радиосвязи имеет следующие функциональные возможности и алгоритм функционирования:

– Стационарная базовая станция WiMax широкополосной технологической радиосети обмена данными.

– Мониторинг и оперативно-диспетчерское управление подвижными дежурными силами при выдвижении в район оперативного развертывания в зоне работы постоянной действующей системы технологической радиосвязи.

– Управление автодорожной обстановкой (светофорными комплексами) по каналам технологической радиосети в интересах приоритетного пропуска подразделений ГОЧС на регулируемых перекрестках на маршруте движения.

– Оперативное управление и информационное обеспечение сил и средств ГОЧС, находящимся в зоне действия технологической радиосети по каналам связи WiMax.

– Локальная сеть управления силами и средствами ГОЧС по каналам связи WiFi в оперативной зоне постоянной действующей технологической радиосети.

– Разнородные подвижные силы и средства экстренных служб различной ведомственной принадлежности в удаленной зоне.

– Локальная сеть WiFi для взаимодействия разнородных подвижных сил и средств экстренных служб различной ведомственной принадлежности в удаленной зоне.

– Локальная сеть WiFi общего пользования.

Широкополосная технологическая радиосеть обмена данными имеет в своем составе группу стационарных базовых станций WiMax и обеспечивает функционирование подвижных и стационарных объектов в оперативной зоне. Встроенный протокол позволяет организовать автоматический перевод подвижных объектов между соседними базовыми станциями с минимальной задержкой по времени. Базовые станции подключаются к региональному пункту управления по проводным или беспроводным магистральным каналам связи, работающим по IP-протоколу.
Региональный пункт управления осуществляет мониторинг и оперативно-диспетчерское управление подвижными дежурными силами при выдвижении в ходе решения функциональных задач в районе оперативного развертывания в зоне действия системы радиосвязи. Он обеспечивает автоматизированный контроль за действиями подвижных сил с самого начала их оперативного использования и до завершения спасательных работ. По каналам радиосети с заданной периодичностью транслируются данные о текущем местоположении подвижных сил и средств и характере их использования, передаются команды управления и сигналы оповещения, а также обеспечивается удаленный доступ к массивам информации, которая может потребоваться в процессе решения поставленных задач.
Оперативное управление и информационное обеспечение сил и средств в районе оперативного развертывания осуществляется по каналам связи WiMax, которые обеспечивают обмен мультимедийной информацией. Относительно высокая пропускная способность системы позволяет передавать достаточно большие массивы графической и видео информации.
В районе оперативного развертывания может быть реализована беспроводная локальная сеть управления силами и средствами ГОЧС по каналам связи WiFi. Она сопрягается с действующей стационарной технологической радиосетью обмена данными WiMax и обеспечивает доступ пользователей к ресурсам информационной системы на региональном и федеральном уровнях. В результате оперативные подразделения могут иметь функциональные возможности, аналогичные тем, которыми они располагают при работе в стационарных условиях. Применение WiFi позволяет организовать подключение к сети абонентов различной ведомственной принадлежности и использовать для подключения коммерческие терминалы и стандартное программное обеспечение, используемое в сетях данного типа.
При наличии в удаленной зоне сети WiFi общего пользования она может использоваться в качестве резервной или аварийной сети для обеспечения обмена данными оперативных подразделений между собой и с соответствующими пунктами управления верхнего звена.
Навигационное обеспечение различных служб МЧС России данными от системы спутниковой связи ГЛОНАСС осуществляется через внешние или встроенные навигационные приемники аппаратуры Sentry-4G-900 [6].
Таким образом, рассмотренная технология широкополосной передачи данных и реализованные на ее основе образцы оборудования позволяют создавать интегрированные технологические радиосети обмена данными повышенной надежности и живучести, полностью удовлетворяющие требованиям современных автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления для построения перспективной системы радиосвязи МЧС России.

Автор - ЗЫКОВ Владимир Иванович, Начальник кафедры Академии государственной противопожарной службы МЧС России, Лауреат премии Правительства России, доктор технических наук, профессор.

Дополнительная информация - НПП «РОДНИК», +7(499)613-7001, www.rodnik.ru

Список литературы
1. Концепция развития системы связи МЧС России на период до 2010 года. – М.: ВНИИ ГОЧС, 2001. – 52 с.
2. Зыков В.И , Мешалкин Е.А. Создание единой службы связи ГПС МВД России // «Пожарная безопасность 2002».Приложение к журналу «Системы безопасности, связи и телекоммуникаций. - 2000. – №12. - С.27 – 28.
3. Грущинский А.Г., Дятлов В.В., Зыков В.И. Новые коммуникационные технологии в деятельности пожарной охраны: Состояние и перспективы использования (Системы подвижной радиосвязи). - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1999. – 126 с.
4. Зыков В.И., Мосягин А.Б., Золотарев А.Ю. Цифровая ведомственная корпоративная сеть связи Государственной противопожарной службы // Ведомственные корпоративные сети, системы № 5. – М.: Стройиздат, 2002. – С. 117-121.
5. Зыков В.И., Мосягин А.Б., Савинский А.Ф. Основные этапы проектирования сети управления в системе оперативно-диспетчерской связи // Ведомственные корпоративные сети, системы № 3. – М.: Стройиздат, 2002. – С. 164-166.
6. Кульба В.В., Микрин Е.А., Павлов Б.В. Проектирование информационно-управ-ляющих систем долговременных орбитальных станций. – М.: Наука, 2002. – 343 с.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями