（第二届“安控杯”SCADA/RTU技术与应用征文比赛三等奖作品）

顾  诚

1  引言

    目前，在工业控制领域以计算机网络为信息载体的应用越来越多，SCADA通讯系统的网络化正在成为趋势，越来越多的监控仪器和设备开始提供网络接口，利用计算机网络实现信息共享和交换。与常规的计算机网络服务不同，由于SCADA通讯系统需要与硬件或外设交换数据，所以处理能力较之常规的网络服务器受到更大的限制。然而，现有的研究，不论是基于局域网技术的工业计算机网络应用[1][2]，还是以互联网技术为平台的远程数据采集与操作[3][4]，均简单地假设通讯系统设备的服务能力可以满足应用需要，缺乏定量的分析计算。

    事实上，一方面，SCADA通讯系统设备需要快速，甚至实时响应来自网络的任务；另一方面提升SCADA通讯系统设备的服务能力受硬件速度和服务类型等因素的牵制，比提升常规网络服务器性能困难。所以，需要在设计SCADA通讯系统设备时，对它的负荷能力和可能的任务需求作缜密的分析，确保它能在预计的时间之内对来自网络的请求做出准确有效的回应。为此，笔者在分析SCADA通讯系统设备的网络任务特点的基础上，根据排队论中的马尔可夫链理论建立了“多处理器SCADA通讯系统能力模型”。

2   SCADA通讯系统设备的网络任务特点

    为了对SCADA通讯系统设备响应网络任务的能力进行定量描述，先定义有关概念。

    (1)  SCADA通讯系统设备的单处理器任务处理速率：μ（任务/秒）
    μ表示当SCADA通讯系统设备中只有一个处理器时，它处理网络任务的速度。从理论上讲，可以通过提升SCADA通讯系统设备的硬件水平来提高μ。但是，多数网络任务的处理时间并不是仅仅取决于服务方的能力。如果该网络任务是交互式的，网络任务需要服务方和请求源（可能是操作员，也可能是其它设备）共同完成，那么，参加交互的另一方和连接两方的网络通道都可能成为制约整个任务完成时间的瓶颈。也就是说，虽然可以用提升SCADA通讯系统设备硬件能力的方法来提高μ，但μ的提高受到上述瓶颈的限制。如果在服务方的处理能力不受任何限制的假设下，网络任务的平均处理时间为τ（秒），即使SCADA通讯系统设备提供超过1/τ（任务/秒）的硬件处理能力，μ最大也只能达到1/τ 。由于硬件的技术水平发展很快，以硬件为基础提升SCADA通讯系统设备的处理能力并不困难，所以在笔者的模型中假定SCADA通讯系统设备的处理器具备足够的处理能力，满足μ=1/τ 。

    (2)  SCADA通讯系统设备中的处理器数：c
    c表示在SCADA通讯系统设备中包含的处理器数目。受网络任务交互性的制约，单个处理器只能按速率μ处理网络任务。如果SCADA通讯系统设备希望用比μ更高的速率来响应网络任务，显然不能依靠提升单个处理器的能力，而是应该增加处理器的数目。

    (3)  访问SCADA通讯系统设备的网络任务发生率：λ（任务/秒）
    λ表示网络中所有对SCADA通讯系统设备的实时访问请求的发生速率。这些访问请求一般与应用逻辑密切关联，SCADA通讯系统设备应该及时应答。为了使计算更加有针对性，可以不及时响应的开放性请求，如与控制操作无关的查询，不包含在λ中。

    (4)  SCADA通讯系统设备的平均等待任务数e
    从现有的应用情况看，用计算机网络承载软实时任务的情况已经十分普遍。对SCADA通讯系统设备而言，不仅需要正确响应网络任务，而且需要及时响应网络任务，即保证能在某个时间之内对网络任务作出回应。相对于平均等待任务数，平均等待时间是更直接的指标。但是，由于平均等待时间与任务自身的属性关系密切，难以抽象成格式较为统一的模型，所以用平均等待任务数e表达SCADA通讯系统设备的忙闲情况。当SCADA通讯系统设备的等待任务数小于处理器数目c时，平均等待任务数e小于1，当等待任务数小于2c时，平均等待任务数e小于2。

    通过对上述概念的讨论，可以归纳出SCADA通讯系统设备的网络任务特点。这就是：对确定的SCADA通讯系统设备而言，单处理器任务处理速率μ 和网络任务发生率λ 是已知的；平均等待任务数e是需要满足的条件；处理器数c 是可以调节的，设计人员用c来满足e产生的需求。

    毫无疑问，SCADA通讯系统设备需要实时响应能力。如果平均等待任务数e小于等于1，即最多等待一个任务的平均执行时间，SCADA通讯系统设备可以用最简单的任务管理方法提供实时服务。所以在为SCADA通讯系统设备建立多处理器能力模型时，假定e小于等于1。

3  多处理器能力模型

    网络任务有自己的行为特征。不同的研究人员试图用各自的数学方法模拟网络中的任务处理过程，排队论是其中使用最为普遍和成功的工具之一。许多文献[5]指出，在开放的计算机网络环境中，网络任务请求是符合统计规律的。具体地讲，在一般情况下，任务的到达时间服从泊松分布，到达时间间隔和服务时间均呈指数分布。另外，由于多数SCADA通讯系统设备的功能比较复杂，需要并行处理能力，所以，假定由多个任务处理器构成。

    由此，结合SCADA通讯系统设备的应用特点，可以用M/M/c模型来描述SCADA通讯系统设备的网络任务活动情况。SCADA通讯系统设备M/M/c模型的含义是：(1) 任务的到达时间服从泊松分布；(2) 服务时间服从指数分布；(3) 有c个任务处理器，即该SCADA通讯系统设备能同时处理c个任务。
由排队论的相关结论，在M/M/c模型下SCADA通讯系统设备的网络任务数构成一个取值于{0,1,2,^...,∞}的连续时间Markov链。令任务到达率为λ，单处理器的任务处理率为μ，每个处理器的能力相同，共有c个处理器，由此得到一个有限状态生灭过程，其状态概率方程：

    因稳态解与时间无关，记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 表示排队任务数为j的概率，可解得：

    只有当总任务数超过c时，才会出现等候的任务，所以等候的任务数为：

    因为平均等待任务数e=E/c，为了使SCADA通讯系统设备能实时响应网络任务，e应该小于等于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通讯系统设备的多处理器能力模型。由网络任务发生率λ和单处理器的任务处理速率μ可以计算出a。在已知a后，可以由(1)计算出c，即需要配置的处理器数目。

4  在电力SCADA通讯单元设计中的应用

    在电网数据采集监控系统中，通讯单元是重要的组成部分，它必须保障与系统中的RTU和综合自动化装置的联络。由于SCADA需要覆盖一定的区域，不仅包含各类不同厂商型号的设备，网络通讯的线路质量和应用层规约也各不相同。所以，在设计SCADA通讯单元时应该将软件与硬件分开。用软件来适应设备、线路质量和应用层规约的多样性及扩展，用硬件来保障总体通讯能力。

    利用SCADA通讯系统设备的多处理器能力模型，可以根据应用需求计算出SCADA通讯单元的硬件配置。

    例如，在某SCADA通讯单元设计时考虑需求如下：远程装置60套；每个装置平均间隔5分钟通讯一次；每次平均通讯时间20秒；即单处理器任务处理速率μ=0.05任务/秒，网络任务发生率λ=0.2任务/秒，所以
    a=0.2/0.05=4
    将a代入(1)，可解得：c>4，取c=5。
    也就是说，在该SCADA的通讯单元中配置5个任务处理速率为0.05任务/秒的处理器即可在硬件设备能力上满足应用需求。

5  结语

    本文在分析SCADA通讯系统设备的网络任务特点的基础上，根据排队论中的马尔可夫链理论建立了“多处理器SCADA通讯系统能力模型”。它能用经济合理的配置确保在预计的时间之内对来自网络的请求做出准确有效的回应。笔者将该模型用于SCADA通讯单元的设计中，大幅度地简化了设备配置，效果非常显著。