Выпуск 36-02

радиосеть управления и сбора данных как средство повышения надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами в жилищном коммунальном хозяйстве

В настоящей статье представлена краткая информация о радиосетях управления и сбора данных, используемых в интересах обеспечения функционирования автоматизированных систем управления технологическим процессами различного назначения в жилищно-коммунальном хозяйстве в целом и в системах водоснабжения и водоотведения, в частности. Статья предназначена для технических специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией автоматизированных систем управления технологическими процессами водо-, тепло-, газо- и электроснабжения, канализации и наружного освещения.

(Продолжение)

3 Радиосеть с использованием устройств малого радиуса действия (УМРД)

Решением Государственной комиссии по радиочастотам при Министерстве информационных технологий и связи Российской Федерации от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001 на территории страны разрешена эксплуатация радиосетей с использованием устройств малого радиуса действия на основе выделенных для свободного доступа полос радиочастот в диапазоне ультравысоких частот (УВЧ)[1]. Устройство малого радиуса действия - это техническое средство, предназначенное для передачи и (или) приема радиоволн на короткие расстояния (прим. десятки-сотни метров). Данные устройства применяются при условии, что они не создают помех другим радиоэлектронным средствам (РЭС) и не требуют защиты от помех со стороны других РЭС.

Основной характеристикой такой радиосети является отсутствие необходимости оплаты передаваемой информации, поскольку используемый радиочастотный ресурс находится в свободном доступе.

В настоящей статье рассматриваются только неспециализированные (любого назначения) решения - на базе устройств малого радиуса действия общего применения, предназначенные для обмена цифровой информацией (радиомодемы), включая устройства дистанционного управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи данных и других подобных передач, как наиболее близко подходящие для приложений АСУ ТП ЖКХ. Основные технические характеристики и условия использования данных устройств представлены в Таблице 2.

Таблица 1. Основные технические характеристики и условия использования неспециализированных устройств малого радиуса действия общего применения[2] в диапазоне 433 МГц.

Как видно из таблицы, вышеуказанные устройства задействуют так называемый LPD433[5] диапазон (радиолюбительский диапазон 70 см). В большинстве стран мира этот диапазон разрешен к свободному использованию с некоторыми оговорками, как правило, с ограничением мощности передатчика и жестко назначенными частотами для приема-передачи. При этом нельзя применять антенну с коэффициентом усиления более 0 дБи, а также внешние антенны. В диапазоне LPD433 могут и работают многие устройства различного назначения, такие как радиопульты, автомобильные радио сигнализации, а также, так называемые, безлицензионные радиостанции, для которых не требуются регистрация.

Ограничения, налагаемые на свободно продающиеся безлицензионные радиостанции, не позволяют без контроля государственных органов организовать эффективную систему связи с использованием внешних антенн и/или базовых станций/радио ретрансляторов. 

Область применения радиосетей обмена данными малого радиуса действия определяется следующими оперативно-техническими возможностями и преимуществами, но с существенными ограничениями:

– состояние среды передачи данных не контролируется соответствующими государственными органами. Доступ к радиочастотному ресурсу производится на конкурентной основе – каждый из абонентов выходит на связь, когда у него возникает потребность, независимо от текущей загрузки каналов связи;

– ограниченная оперативная зона без возможности ретрансляции сигнала (дальность связи с установленной регулятором выходной мощностью существенно ограничена);

– отсутствие единых протоколов доступа к каналу связи, обеспечивающих совместную работу группы абонентов без взаимных помех и гарантированную доставку данных в установленные сроки в близком к реальному режиме времени;

– большее по сравнению с технологическими радиосетями время доступа к каналу передачи данных, усугубляемое более низкой скоростью обмена данными, и неприемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;

– относительно низкая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии имеют слабую защиту от подавления или перехвата, поскольку работа ведется на общедоступном оборудовании, в каналах общего пользования и с невысокой излучающей мощностью);

– существенно более низкая чем у технологических радиосетей обмена данными совокупная стоимость владения (за счет более низкой стоимости оборудования, затрат на проектирование радиосетей, отсутствия инфраструктуры и необходимости оформлять радиочастотное присвоение);

– независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть может разворачиваться в любом районе без предварительного согласования с регулятором);

– совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;

– простота перемещения, оперативность развертывания в новом районе (не требуется развертывания дополнительной инфраструктуры);

– возможность эксплуатации в жестких условиях (определяется моделями выбранного для работы оборудования).

Преимуществами радиосетей обмена данными малого радиуса действия являются:

– быстрое развертывание сети и установление связи, поскольку отсутствует необходимость тратить время на оформление радиочастотного присвоения;

– относительно невысокие первоначальные затраты;

– отсутствие оплаты за передаваемую информацию;

– возможность использовать весь выделенный спектр частот.

Определенными недостатками радиосетей обмена данными малого радиуса действия являются:

– работа неограниченного количества пользователей в совмещенном диапазоне частот, и, как следствие, наличие интерференционных помех и относительно низкое качество передачи информации;

– необходимость тщательного изучения радиоэлектронной обстановки и продуманного территориально-частотного планирования размещения оборудования;

– необходимость урегулирования отношений с другими пользователями с целью уменьшения взаимного влияния при работе в радиосети.

Основными пользователями радиосетей обмена данными малого радиуса действия являются:

– радиолюбители;

– промышленность и транспорт, где они применяются для управления телемеханическими устройствами и аппаратурой сбора отдельных видов телеметрической информации, а также обеспечения работы противопожарных и охранных систем.

Выделенный для работы радиосетей обмена данными малого радиуса действия радиочастотный ресурс используется различными бытовыми устройствами, включая автомобильную сигнализацию.

Однако, такие радиосети не поддерживают работу по топологии «точка – много точек» и не позволяют организовать централизованное управление радиосетью. Более того, они, как правило, организуются для ограниченной по времени работы. Организационно-технические принципы работы таких радиосетей не предполагают определение требований к их надежности.

В декабре 2023 года в Российской Федерации введен ГОСТ Р 71168-2023 «Информационные технологии. Интернет вещей. Спецификация LoRaWAN RU», определяющий порядок использования устройств малого радиуса действия по технологии LoRa, разработанной компанией Semtech Corporation и исследовательским центром IBM Research в начале 2015 года.

Основные технические характеристики и условия использования данных устройств представлены в Таблице 3.

Таблица 2. Основные технические характеристики и условия использования неспециализированных устройств малого радиуса действия общего применения в диапазоне 868 МГц.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) - беспроводная технология, которая используется для передачи данных телеметрии приборов учета и поддерживает новый класс телематических средств. Это беспроводная технология, которая используется для передачи данных на дальние расстояния[7] при минимальном энергопотреблении.

Радиосеть LoRaWAN поддерживают работу по топологии «точка – много точек» и позволяют организовать централизованное управление радиосетью. По замыслу разработчиков она предназначена для «передачи данных в автономных датчиках экологического наблюдения и коммунальном хозяйстве».

Преимуществами радиосети LoRaWAN являются:

– низкое энергопотребление и затраты на электропитание питание;

– простота использования;

– масштабируемость;

– хорошая работа в условиях городской застройки (за счет используемого радиочастотного диапазона).

Недостатки радиосети при использовании ее для обслуживания АСУ ТП те же, что перечисленные выше для устройств малого радиуса действия общего применения в диапазоне 433 МГц. Но к ним можно добавить и часть заявленных преимуществ радиосети, которые одновременно являются серьезными ограничениями при ее использовании в интересах АСУ ТП:

– низкое энергопотребление и затраты на электропитание питание. Питание устройств радиосети производится от элементов питания типа АА (бытовых батареек), емкости которых, по оценке разработчиков, может хватить на несколько лет работы. Но это исключает возможность интенсивного обмена данными, который, присутствует в АСУ ТП ЖКХ, такой режим работы возможностями радиосети не предусмотрен;

– хорошая работа в условиях городской застройки (за счет используемого радиочастотного диапазона) улучшает доступность сигнала внутри зданий и помещений, но сокращает общую дальность работы узлов радиосети.

Таким образом, радиосеть с использованием устройств малого радиуса действия может ограниченно применяться в интересах обеспечения работы АСУ ТП ЖКХ в пределах отдельного объекта в приложениях, нечувствительных к задержкам в доставке данных (не требующих работы в реальном масштабе времени) и не предъявляющих требований к безопасности.

4 Широкополосная радиосеть обмена данными общего пользования стандарта IEEE 802.11 (WiFi)

В Российской Федерации отсутствует отдельный ГОСТ, специально посвященный исключительно WiFi как таковому. Вместо этого, стандарты, связанные с WiFi, включены в более широкие категории, такие как информационные технологии, Интернет вещей и системы связи, а для его использования выделены следующие диапазоны частот: 2,4 ГГц ( 2400-2483,5 МГц) и 5 ГГц (5150-5350 и 5650-6425 МГц). 

Работа таких радиосетей может быть организована пользователями самостоятельно (для работы за пределами помещений требуется регистрация оборудования радиосети, за исключением абонентского[8]) или за счет подключения к сетям общего пользования, развернутым компаниями, предоставляющими услуги связи. По оценке специалистов, работа WiFi за пределами помещения может быть менее стабильной из-за различных факторов. В первую очередь, это связано с большим расстоянием между устройствами и возможными помехами от окружающей среды, такими как деревья, здания, погодные условия и другие источники радиопомех. 

Факторы, влияющие на работу WiFi вне помещения:

– расстояние. Радиус действия WiFi роутера ограничен, и чем больше расстояние между устройством и точкой доступа, тем слабее сигнал и ниже скорость;

– препятствия. Деревья, здания, стены и другие объекты могут ослаблять сигнал;

– погодные условия. Дождь, снег, гроза и сильный ветер могут влиять на распространение радиосигнала;

– другие устройства. Микроволновые печи, Bluetooth-устройства и другие беспроводные сети могут создавать помехи. 

Широкополосная радиосеть обмена данными общего пользования стандарта IEEE 802.11 является эффективным, удобным и недорогим средством передачи больших объемов информации, свободно доступным любому пользователю. В связи с этим такие сети получили широкое распространение в промышленности и на транспорте. Однако в настоящее время наблюдается процесс отказа от их применения на крупных промышленных предприятиях, что связано с возросшим объемом помех, обусловленных активным применением персональных электронных устройств, использующих для связи технологию WiFi. Кроме того, службы безопасности таких предприятий предписывают отказ от WiFi по причине его относительно низкой безопасности.  

По оценке специалистов, в сфере промышленности отказ от использования WiFi из-за его слабой безопасности не является повсеместной практикой, но существуют опасения по поводу безопасности беспроводных сетей, которые могут приводить к пересмотру методов подключения. В критически важных промышленных системах, где безопасность данных и надежность связи имеют первостепенное значение, часто предпочитают более надежные и защищенные соединения. Однако WiFi может использоваться в менее критичных приложениях или в качестве вспомогательного канала связи, если принимаются соответствующие меры безопасности.

Таким образом, широкополосная радиосеть обмена данными общего пользования может ограниченно применяться в интересах обеспечения работы АСУ ТП ЖКХ в пределах отдельного объекта в приложениях, не предъявляющих требований к безопасности.

5 Технологическая узкополосная радиосеть обмена данными УКВ диапазона

Развертывание и эксплуатация технологических узкополосных радиосетей на территории Российской Федерации регулируется Федеральным законом «О связи» и рядом подзаконных нормативных актов, которые включают в себя решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ)[9] о совместном использовании радиочастотного ресурса в диапазонах очень высоких частот (ОВЧ)[10] и ультравысоких частот, предоставляющую доступ для всех пользователей к вышеуказанным радиочастотным ресурсам.

С начала 90-х годов прошлого столетия технологические радиосети обеспечения работы АСУ ТП ЖКХ получили широкое распространение в США и Канаде, а с начала 2000-х годов – в Европе, Южной Америке, Африке и Австралии.

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 состояние контролируется соответствующими государственными органами);

– обширная оперативная зона с возможностью ретрансляции сигнала (реально построенные радиосети имеют сплошную оперативную зону более миллиона кв. км);

– применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;

– относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и приемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке 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;

– независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит собственно пользователю, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться им самостоятельно);

– совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;

– простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;

– возможность эксплуатации в жестких условиях.

Наиболее широкое распространение в России такие радиосети получили на предприятиях топливно-энергетического комплекса, в горнодобывающей промышленности, лесном и водном хозяйстве, дорожных службах, на стационарных и подвижных объектах авиационного, железнодорожного, автомобильного и электротранспорта.

В настоящее время в структуре ЖКХ на территории Российской Федерации используются узкополосные технологические радиосети обмена данными, в основном, первого и второго поколений, которые обеспечивают функционирование автоматизированных систем управления технологическими процессами различного назначения:

− водоснабжения, включая станции водозабора, водонапорные башни, водопроводные станции, системы мониторинга состояния трубопроводной сети;  

− канализации, включая канализационные насосные станции и очистные сооружения;

− теплоснабжения, включая котельные с тепловыми насосами, тепловые пункты и средства мониторинга состояния магистральных теплосетей;

− энергоснабжения, включая трансформаторные подстанции и электрические сети, а также системы технического и коммерческого учета электроэнергии;

− газоснабжения, включая газорегуляторные и газораспределительные пункты, системы мониторинга состояния трубопроводной сети;

− наружного освещения, включая системы диспетчеризации и единого времени.

Дополнительно технологическая радиосеть используется для обеспечения работы инженерных систем непосредственно на объектах ЖКХ, включая системы электропитания, управления климатом, оповещения, пожарной и охранной сигнализации.

Радиосеть первого поколения использует серийно выпускаемые голосовые радиостанции с подключенными к ним внешними программируемыми контроллерами, реализующими функции модема - недорогое, но достаточно эффективное и надежное решение.

Радиосеть второго поколения строится на основе специализированных устройств (радиомодемов), имеющих в своем составе приемопередатчик с интегрированным модемом, оптимизированным для обмена данными с подключаемым в ним программируемым контроллерам по последовательным интерфейсам RS-232/422/485.

В настоящее время промышленностью производятся более современные радиомодемы третьего и четвертого поколений, использующие программно-настраиваемые приемопередатчики, созданные с применением технологии SDR[11] и поддерживающие подключение как по последовательному, так и по сетевому протоколам (Ethernet/TCP-IP).

Радиосети третьего и четвертого поколений получили достаточно широкое применение в Российской Федерации на предприятиях промышленности и транспорта и уже имеют свою многолетнюю и успешную историю. Такие радиосети используются в качестве основных, в первую очередь, на протяженных объектах, где прокладка кабелей является нецелесообразной или невозможной. С использованием этой технологии построены практически все сети управления телемеханикой подразделений ПАО «Газпром», отвечающих за добычу и транспортировку газа, а также значительная часть таких сетей в подразделениях компаний ООО «Газпром межрегионгаз» и АО «Газпром газораспределение», большая часть сетей ПАО «Новатэк», почти все сети ПАО «Транснефть» и нефтедобывающих компаний, включая ПАО НК «Роснефть», «ЛУКОЙЛ», «Татнефть», «Сургутнефтегаз», АО «Сахатранснефтегаз» и ООО «Газпром нефть», не менее половины сетей ведущих электроэнергетических компаний, некоторые объекты АО «РЖД» и промышленного железнодорожного транспорта[12]. Следует отметить, что все вышеупомянутые объекты относятся к II классу опасности и предъявляют повышенные требования к системе управления и безопасности.

Информация о развертывании радиосетей четвертого поколения в интересах предприятий ЖКХ на территории Российской Федерации отсутствует, однако с 2017 года такая радиосеть успешно функционирует в составе АСУ ТП ЖКХ ГКП «Семей Водоканал» (Казахстан). 

Оперативно-технические возможности технологических радиосетей определили и географическую область их применения, которая включает районы с суровыми климатическими условиями, в том числе, зону вечной мерзлоты, где физическая прокладка и поддержание работы кабельной сети связана с серьезными трудностями, а беспроводные сети обмена данными на территориально распределенных объектах оказывается экономически эффективнее и технически надежнее, чем проводные.

При всем разнообразии решаемых прикладных задач, объема и характера контролируемых технических параметров и разнообразии применяемых программно-технических средств АСУ ТП ЖКХ имеют одну важную общую характеристику – они представляют собой распределенные системы, функционирующие на относительно больших территориях и требующие управления и контроля в реальном масштабе времени из удаленного пункта управления (ПУ).

Основными оперативно-техническими характеристиками АСУ ТП ЖКХ, как и любой информационно-управляющей системы, являются[13]:

- работа в реальном масштабе времени;

- специфические требования по надежности и безопасности функционирования;

- эксплуатационные и инструментальные особенности;

- непрерывный режим функционирования;

- отсутствие оператора (как правило);

- нештатные ситуации должны корректно разрешаться средствами самой системы;

- специфические требования к проектированию и отладке.

Узкополосная технологическая радиосеть обмена данными в полном объеме удовлетворяет вышеуказанным характеристикам и имеет более высокие по сравнению с сетями общего пользования оперативно-технические характеристики, обеспечивающие:

Надежность[14] работы. Коэффициент оперативной готовности технологической радиосети обмена данными повышенной надежности и живучести может быть на порядок выше заявленного номинального значения 0,999.

Своевременность[15] доставки данных. В технологической радиосети обмена данными все задержки строго детерминированы, поскольку число подключенных абонентов и генерируемый ими поток данных точно определяются на этапе проектирования радиосети и остаются неизменным в процессе ее эксплуатации. Подключение новых устройств производится с учетом имеющейся пропускной способности радиосети и допустимых задержек в доставке информации.

Достоверность[16] циркулирующей в радиосети информации. Этот показатель примерно одинаков для других видов радиосетей, однако, в технологической радиосети дополнительные мероприятия по повышению достоверности данных с учетом реальной обстановки могут оперативно выполняться ее владельцем, а в сетях обмена данными общего пользования – только их оператором исходя из целесообразности таких мероприятий для всех пользователей сети и самого оператора. При этом возможности внешнего воздействия на технологическую радиосеть, направленного на компрометацию данных, значительно ограничены за счет того, что доступ к радиосети имеют только «свои» пользователи.

Доступность[17] различных радиосетей в обычной обстановке примерно одинакова, однако при внешнем воздействии и выводе из строя отдельных компонентов системы управления доступность к радиосети общего пользования может быть утрачена на длительный срок, а технологическая радиосеть имеет существенно более короткие сроки восстановления. При этом мероприятия по восстановлению доступности к ней выполняются ее владельцем исходя из действующих приоритетов.

Скрытность[18] работы. Технические возможности по обнаружению работы технологической радиосети обмена данными значительно уже, что обусловлено ограниченной зоной ее электромагнитной доступности (ЭМД), возможностью ее оперативного развертывания в любом районе на временной основе, изменения мест размещения базовых станций и ретрансляторов и связанной с этим реконфигурацией зон ЭМД.

Живучесть[19] у технологической радиосети обмена данными существенно выше, поскольку при ее развертывании могут применяться специально разработанные отказо- и катастрофоустойчивые технические решения[20], предусматривающих дублирование наиболее важных компонентов и исключение единой точки отказа.

Безопасность[21] циркулирующей в технологической радиосети информации оказывается выше в связи с более ограниченными возможностями по внешнему воздействию на радиосеть и вмешательству в ее работу. В связи с ограниченной зоной ЭМД для доступа в сети и воздействия на нее необходимо находиться в пределах этой зоны. Мероприятия по защите информации проводятся владельцем радиосети исходя из текущих и вновь возникающих угроз, а также действующих приоритетов, перечень таких мероприятий значительно шире, чем предусматривается в сетях связи общего пользования.

Устойчивость[22] функционирования технологической радиосети обмена данными определяется реальными требованиями ее владельца и может быть существенно выше аналогичного параметра в других радиосетях. При этом технические параметры радиосети, например, выходная мощность базовых станций и аппаратуры пользователей, могут гибко адаптироваться к складывающейся оперативной обстановке в автоматическом режиме, в том числе, с использованием элементов искусственного интеллекта.

Целостность сети[23]. Данный параметр примерно одинаков для различных радиосетей, однако возможности по интеграции в состав технологической радиосети новых технических решений за счет адаптации уже эксплуатирующегося оборудования значительно шире. Кроме того, внедрение новых технологий в области технологических радиосетей может происходить значительно быстрее.

Таким образом, технологическая радиосеть обмена данными, изначально создававшаяся под задачи промышленности и транспорта, оказывается наиболее приспособленным для обслуживания работы АСУ ТП ЖКХ средством, обладающим необходимыми параметрами надежности и безопасности.

ВЫВОДЫ:

1. Современные средства беспроводного обмена данными могут широко и эффективно использоваться в интересах обеспечения работы Автоматизированных систем управления технологическими процессами на объектах жилищно-коммунального хозяйства в целом и водоснабжения и водоотведения в частности.

2. Радиосети общего назначения могут применяться в составе АСУ ТП ЖКХ в ограниченном объеме, только в приложениях, не предполагающих организацию работы в режиме реального времени и не предъявляющих высоких требований к обеспечению безопасности.

3. Наиболее полно и эффективно потребности АСУ ТП ЖКХ выполняются при использовании узкополосной технологической радиосети обмена данными УКВ диапазона, применение которой может повысить надежность удаленного управления и сбора данных без снижения требований к безопасности.   

[15] Своевременность – способность связи обеспечивать доставку сообщений или ведение переговоров в заданные сроки.