Автоматизированное рабочее место специалиста пункта управления сетью связи специального назначения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО СПЕЦИАЛИСТА ПУНКТА УПРАВЛЕНИЯ СЕТЬЮ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Верхова Галина Викторовна,

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизации предприятий связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций имени проф. М.А. Бонч-Бруевича, г. Санкт-Петербург, Россия, galina500@inbox.ru

Белоус Константин Владимирович,

к.т.н., доцент кафедры автоматизации предприятий связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций имени проф. М.А. Бонч-Бруевича, г. Санкт-Петербург, Россия, kostos_84@mail.ru

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты научных исследований в области автоматизированного управления сетью связи специального назначения в условиях применения противником средств радиоэлектронной борьбы. Приводится разработанная авторами система комплексных показателей эффективности функционирования сети связи, которая формируется в виде иерархической системы в соответствии с единой методологической концепцией построения информационных систем, предусматривающая рассмотрение любой сети обмена информацией с позиций эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). Данный подход обеспечит возможность использования системы показателей качества для оценки и управления любыми ведомственными сетями связи, входящими в состав инфокоммуника-ционной среды Единого информационного пространства Российской Федерации. Управление сетью связи в условиях радиоэлектронной борьбы интерпретируется как поиск оптимального показателя качества функционирования сети в условиях воздействия различных угроз. Основными факторами, меняющими частные показатели эффективности функционирования сети на всех уровнях рассмотрения, являются воздействия угроз, исходящих от системы радиоэлектронной борьбы. Так как задача поиска оптимальной стратегии управления сетью связи специального назначения относится к классу МР-трудных, она не может быть решена за приемлемое время путём прямого перебора; для ее решения требуется разработка специального программно-алгоритмического обеспечения, обеспечивающего приближенное рациональное решение. Такое программно-алгоритмическое обеспечение может быть использовано в программно-аппаратных комплексах систем управления сетями связи и боевых информационно управляющих системах.

Программно-алгоритмическое обеспечение должно создаваться на основе современных программных платформ, с использованием технологии объектно-ориентированного программирования. Прототип системы программного обеспечения написан на программно-алгоритмическом языке С#. Приложение реализовано с использованием стандартных элементов управления, имеет эргономичный интерфейс, обеспечивает вывод данных на экран монитора. Программно-алгоритмическое обеспечение позволяет по заданным параметрам (ресурсу сети, возможностям противоборствующей стороны, перечню доступных направлений связи и их приоритетности) смоделировать возможные стратегии РЭБ с целью выбора оптимальной стратегии противодействия средствам радиоэлектронной борьбы противника, обеспечив снижение объёма причиняемого ущерба.

Ключевые слова: сеть связи специального назначения; радиоэлектронная борьба; автоматизированное управления; система комплексных показателей эффективности функционирования сети связи; Единое информационное пространство Российской Федерации; программно-алгоритмическое обеспечение управления сетью связи специального назначения; оптимальная стратегия управления

Для цитирования: Верхова Г.В., Белоус К.В. Автоматизированное рабочее место специалиста пункта управления сетью связи специального назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 2. С. 18-23.

В настоящий момент времени в связи с активным внедрением инфотелекоммуникационных технологий в деятельность органов государственной власти федерального, регионального и местного уровней возникла необходимость в создании Единого информационного пространства Российской Федерации на базе защищенной инфокомму-никационной среды, объединяющей информационные ресурсы и средства их обработки, используемые различными подразделениями и ведомствами (рис. 1). Особенностью инфокоммуникационной среды специального назначения является возможность ее стабильного функционирования в условиях радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

Единая инфокоммуникационная среда создается на базе существующих сетей связи специального назначения, стабильное функционирование которых обеспечивается пунктами управления [1]. Эффективное функционирование пунктов управления спецсвязью требует получения и обработки информации о состоянии сети в режиме реального времени в условиях преднамеренного воздействия на узлы и линии связи различными средствами поражения и подавления [2]. Объективная оценка состояния сети, необходимая для эффективного оперативного управления, минимизирующего ущерб от применения средств РЭБ, предполагает наличие системы количественных показателей эффективности функционирования как отдельных узлов и линий связи, так и инфокоммуникационной среды в целом.

Система комплексных показателей эффективности функционирования сети связи формируется в виде иерархической системы в соответствии с единой методологической концепцией построения информационных систем, предусматривающая рассмотрение любой сети обмена информацией с позиций эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). Данный подход обеспечит возможность использования системы показателей качества для оценки и управления любыми ведомственными сетями связи, входящими в состав инфокоммуникационной среды [3,4]. Единого информационного пространства Российской Федерации.

ЕДР сш

Н1Ш БСМ

САО САМ

РОМ САЕ

БУИС IDE

HRM SC M

НШ

СИБ СЭД

CASE BPMS

РМ

БМ

Квалиметрическая модель системы комплексных показателей эффективности сети связи особого назначения

Представим сеть связи в виде системы, в состав которой входят (рис. 2):

- входные и выходные информационные потоки / и /';

- структурная матрица Б, определяющая множество допустимых структур сети связи, размерности NхN, где N— максимальное число информационных направлений.

Рис. 2. Обобщённая модель функционирования сети связи в условиях радиоэлектронной борьбы

Учитывая независимость направлений получим конечное счетное множество матриц с количеством элементов 2" в которых Ь . = 1, если организуется передача информации от /-го узла связи к~яЬ.. = 0 — в противном случае.

Ресурс сети Б, подвергшийся воздействию средств РЭБ, задавается множеством стохастических матриц размера Мх^

I^Im xN

\

jmn У

(1)

где матрица Бк является стратегией системы управления сетью связи, а Б^ — вероятность работы_/-го направления в/'-м варианте построения сети связи, при ограничениях:

X ^1

¡еМ

где М—количество типов линий связи_/-го направления. Множество стратегий системы управления сетью связи представляет собой множество всех матриц Б = {Бк}.

Приоритетность информационных направлений задается диагональной матрицей \А\т№ элементами которой являются весовые коэффициенты а.., учитывающие важность /-го информационного направления

Рис. 1. Объединение информационных ресурсов и средств их обработки в единое информационное пространство

аш0,...,0 )

0, ^22 ,..., 0

0, 0,..., aNN У

(2)

Другими элементами модели являются:

- оператор взаимодействия р ресурса сети и воздействий (угроз) РЭБ. В общем случае р — представляет собой оператор вида (Д где 2 — матрица наблюдений на входах приемных устройств различных информационных направлений сети связи. В частных случаях р может иметь

ВИД «+» ИЛИ «X»;

- — множество допустимых алгоритмов обработки наблюдений

- и—множество допустимых алгоритмов правления ресурсом

- ^—показатели качества функционирования отдельных информационных направлений; обобщенным показателем качества работы сети ,7.

Возможности противоборствующей стороны описываются стратегией системы РЭБ в виде стохастических матриц размером ЛхС:

R

NC У

I

jsK

Т.. < 1

j

(

8,, 82,

812 8 22

gM 1 gM 2

81С g2C

gMC

Л

sup J(и), R, Z(u)}

в области, определяемой системой ограничений:

5(и) е 5

Я е Я Z (и) е 2 и еи

Цель оптимизации состоит в выборе одной из матриц 5к, обеспечивающей наибольшую эффективность системы по введенному показателю качества. Если считать, что цель системы РЭБ противоборствующей стороны неизвестна, то оценкой эффективности выбора варианта управления ресурсом, на который оказывают воздействие угрозы РЭБ, при заданном показателе качества может являться

infR£Rj (^ , R)

(7)

(3)

Тогда из области гарантированных оценок, задаваемой (7), всегда можно выбрать наилучшее распределение линий по информационным направлениям, с учетом ограниченности ресурсов системы РЭБ и сети связи:

5огр = argmaxs

, J(S,R)

элементы которой г.. трактуются как вероятности воздеи-ствия/-го варианта фактора угрозы (применительно к угрозе радиоэлектронного подавления — варианта помех) на г-й вариант информационного направления, причем

J = arg maxSeS mmReS J(S,R)

(8)

(9)

Оптимизация сети связи по показателю качества

Управление сетью связи в условиях радиоэлектронной борьбы интерпретируется как поиск оптимального показателя качества функционирования сети 7 в условиях воздействия различных угроз. Основными факторами, меняющими частные показатели эффективности функционирования сети на всех уровнях рассмотрения, являются воздействия угроз, исходящих от системы радиоэлектронной борьбы: Оп = Оп (5, Я). Тогда для любого и-го элемента сети (сети в целом) может быть составлена матрица |И|МхС частных показателей эффективности его функционирования, элементами которой % будут показатели эффективности функционирования и-го элемента, если используется 1-Й вариант его реализации и/'-й вариант воздействий:

Выражение (9) дает нижнюю оценку значения оптимального гарантированного результата показателя качества функционирования сети связи в случае выбора ресурса 5огр. Физически это соответствует случаю, когда органы управления сетью связи, не располагая информацией о том, какие из известного класса воздействий угроз и по каким линиям сети будут использованы противоборствующей стороной, выбирают наилучшее распределение линий связи в предположении, что выбор будет известен.

Если в качестве обобщенного критерия эффективности функционирования сети связи выбрать критерий взвешенной по приоритетам суммы частных показателей (10),

J (S, R) = I aj t (5, R)

(10)

(4)

то математическая модель управления сетью связи в условиях РЭБ может быть построена следующим образом. Пусть рассматривается сеть связи, состоящая из N направлений информационного обмена, а система РЭБ противоборствующей стороны имеет возможность оказать С воздействий на любую из М типов линий.

Учитывая выражения (1-3), составим матричное произведение

Если 7 выражается количественно, то задача оптимизации сети связи может быть сведена к задаче нахождения супремума или инфинума функционала 7

=1ISL

INxM Х I|RHnxC

(11)

(5)

Состояние сети связи и системы РЭБ в некоторый дискретный момент времени представляет собой тензорное произведение:

H И m x к =1 $ IL x к ®ll

огневыми средствами и оружием функционального пора-(12) жения R*(n +1) :

Тогда интегральный показатель качества функционирования сети связи в условиях РЭБ может быть выражен через стратегии управления сетью связи и РЭБ следующим образом:

J(n)R(n)} = |\I\|ixM x

H (n)||

x I

iMxC II II Cxi

R* (n +1 / n) = arg minReR J(S(n +1), R} (17)

Далее определяется наилучшее по прогнозируемым воздействиям распределение ресурсов сети связи на следу-(13) ющий (и+1)-й цикл управления:

где ||/|| 8 ||/|Сх1 — единичные вектор-строка и вектор-

столбец размером 1*Ми 1ХС, соответственно.

Для описания стратегий сети связи и системы РЭБ используем стохастические матрицы вида (1) и (3), что позволит рассматривать задачу рационального управления сети связи в виде поиска оптимальных решений в классе стохастических игр. Непрерывные наблюдения за состоянием элементов сети связи и системы РЭБ в сочетании с принципами последовательного (пошагового) принятия решений превращает процесс оптимизации в многошаговый минимаксный процесс поиска наилучших распределений обусловленных всеми предыдущими состояниями и наблюдений:

S *(n) = arg J max S (n)/S (n-1).-.S (0), R (n-1),...,R (0) min R(1)/S (0),R(0) ^^

S' (n +1) = arg maxSeS J(S, R* (n +1)}

(18)

maxS(0)/R(0) minR(0)eR

J (S, R)

С целью упрощения решения задачи, учитывая высокую динамичность современных сетецентрических войн и возможность резких изменений обстановки, целесообразно использование марковских моделей, в которых учитываются только текущие и прогнозируемые (на основе текущих) состояния сети связи и системы РЭБ. Тогда задачу оптимального управления сетью связи можно рассматривать как задачу поиска наилучшей по показателю (13) стратегии ее поведения в виде условных распределений (1) по прогнозируемым на один шаг вперед стратегиям системы РЭБ (3):

S+ (n +1) =

= arg(max S (n+)/R.(„+1) min R.(„+1)/S („+1/n) max S („+1)/R.(„) J (S, R)}

(15)

Согласно (12) алгоритм поиска оптимальных решений для СС СН состоит из трех последовательно выполняемых этапов. Вначале, на основе разведки радиоэлектронной обстановки определяется вариант стратегии РЭБ Я(и), применяющийся на и-м этапе (цикле управления); определяется оптимальное для данной обстановки распределение ресурсов сети связи Б(и+1/и), путем максимизации (13):

S (n +1/ n) = arg max SeS J (S, R*(n)}

(16)

Затем решается противоположная задача для системы РЭБ противоборствующей стороны с целью найти прогнозируемое распределение помех и объектов поражения

Сформулированный в виде соотношений (15-18) алгоритм оптимального управления сетью связи позволяет существенно упростить процедуру поиска рациональных стратегий, разбив ее на ряд последовательно решаемых задач максимизации и минимизации. Предложенная модель взаимодействия сети связи и системы РЭБ противоборствующей стороны является достаточно общей и в сочетании с принципом максимина (8), (9) позволяет описывать процессы выбора оптимальных стратегий в достаточно широком классе целей функционирования и решаемых задач. Конкретные цели функционирования определяются физическим смыслом, вкладываемым в частные показатели качества J . Например, в случае решения задачи по оценке эффективности сети связи при задании частных показателей качества в виде связности отдельных информационных направлений в условиях РЭБ, критерий (13) будет характеризовать взвешенную по важности суммарную связность сети связи, а решение задачи оптимизации (5), (6) позволит обеспечить либо максимально гарантированную связность сети в условиях РЭБ, либо максимальное число информационных направлений связи, работающих с заданной связностью. Стратегию РЭБ можно задавать через алгоритм целераспределения [5].

Программно-алгоритмическое обеспечение

Так как задача поиска показателя качества J относится к классу NP-трудных, она не может быть решена за приемлемое время путём прямого перебора; для ее решения требуется разработка специального программно-алгоритмического обеспечения, обеспечивающего приближенное рациональное решение. Такое программно-алгоритмическое обеспечение может быть использовано программно-аппаратных комплексах систем управления сетями связи и боевых информационно управляющих системах. Обобщённый вариант алгоритмического обеспечения представлен на рис. 3.

Программно-алгоритмическое обеспечение должно создаваться на основе современных программных платформ, с использованием технологии объекгно-ори-ентированного программирования. Прототип системы программного обеспечения написан на программно-алгоритмическом языке С#. Приложение реализовано с использованием стандартных элементов управления, имеет эргономичный интерфейс, обеспечивает вывод данных на

Рис. 3. Обобщённый алгоритм функционирования

экран монитора. Программно-алгоритмическое обеспечение позволяет по заданным параметрам (ресурсу сети, возможностям противоборствующей стороны, перечню доступных направлений связи и их приоритетности) смоделировать возможные стратегии РЭБ с целью выбора оптимальной стратегии противодействия средствам радиоэлектронной борьбы противника, обеспечив снижение объёма причиняемого ущерба.

Литература

1. Белоус К. В., Курносое В. 14. Задачи оценки эффективности функционирования сетей связи Единой системы управления органов государственной власти, применительно к условиям радиоэлектронного противодействия // Материалы IV-й научно-практической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». Кн.1. СПб.: СПбГУТ, 2015.

2. АнтонюкЛ.Я., ИгнатовВ. ^Эффективность радиосвязи и методы её оценки. СПб: Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, 1994. 138 с.

3. БураченкоД.Л., СаеищенкоН. 5.Сигнальные конструкции. Ч. 1-3. СПб: СПбГУТ, 2004. 240 с.

4. БарабашП.А., ВоробьевС. П., КурносовВ.И., Советов Б. Я. Инфокоммуникационные технологии в глобальной информационной инфраструктуре. СПб.: Наука, 2008. 550 с.

5. КурносовВ.И., ЛихачевЛМ.Методология проектных исследований и управление качеством сложных технических систем электросвязи. СПб.: Тирекс, 1998. 496 с.

AUTOMATED OPERATOR WORKPLACE OF COMMUNICATIONS NETWORK SPECIAL PURPOSE POINT

Galina V. Verkhova,

Saint-Petersburg, Russia, galina500@inbox.ru

Konstantin V. Belous,

Saint-Petersburg, Russia, kostos2@yandex.ru

ABSTRACT

The article presents the results of scientific research in the field of automated control network a special purpose in the application of enemy electronic warfare. Given the authors developed the system of integrated indicators of efficiency of functioning of a communication network, which is formed in a hierarchical system in accordance with the unified methodological concept of construction of information systems providing for the examination of any network of information exchange from the standpoint of the reference model for open systems interconnection (OSI). This approach will allow for the use of the system of quality indicators to evaluate and manage all departmental communication networks comprising the infocommunication environment of the Unified information space of the Russian Federation.

Managing communication network in terms of electronic warfare was governed as the search for the best indicator of the quality of functioning of the network in terms of the impact of various threats. The main factors that change the specific indicators of efficiency of functioning of networks at all levels of review are the impact of threats from electronic warfare systems. As the problem of finding optimal strategies for the management network special purpose belongs to the class NP-hard, it cannot be solved in reasonable time by brute force; it requires the development of specific software and algorithmic support, which provides an approximate rational decision. Such algorithmic software can be used in the software and hardware complexes of control systems communication networks and combat information control systems.

Algorithmic software should be based on modern software platforms, technology of object-oriented programming. A prototype of a software system had written in a software programming language C#. The application is implemented using the standard controls, has an ergonomic interface that provides a data output on the screen. Program-algorithmic support allows on the specified parameters (the network capabilities of the opposing side, the list of available destinations and their priority) to simulate possible strategies EW to select the optimal strategy of counter-electronic warfare of the enemy, provided the decline in damage caused.

Keywords: interactive educational and methodical complex; electronic learning; virtual enterprises; cyber environment; a single information educational space; multimedia educational content.

References

1. Belous K. V., Kurnosov V. I. Zadachi ocenki jeffektivnosti funkcionirovanija setej svjazi Edinoj siste-my upravlenija organov gosudarstvennoj vlasti, primenitel'no k uslovijam radiojelektronnogo pro-tivodejstvija [The tasks of assessing the effectiveness of the functioning of communication networks of the Unified Management System of public authorities, in relation to the conditions of electronic countermeasures]. Materialy IV-j nauchno-prakticheskoj konferencii "Aktual'nye problemy infotele-kommunikacij v nauke i obrazovanii" [Materials of the IV-th scientific-practical conference "Actual problems of information telecommunications in science and education"]. St. Petersburg: Sankt-Pe-terburgskiy gosudarstvennyy universitet telekommunikatsiy im. prof. M. A. Bonch-Bruevicha Pulb., 2015. (in Russian)

2. Antonjuk L. Ja., Ignatov V. V. Jeffektivnost' radiosvjazi i metody ejo ocenki [The effectiveness of radio communication and methods for its evaluation]. St. Petersburg: Voennaya akademiya svyazi Pulb., 1994. 138 p. (In Russian)

3. Burachenko D. L., Savishhenko N. V. Signal'nye konstrukcii [Signaling structures]. In 3 part. St. Petersburg: Sankt-Peterburgskiy gosudarstvennyy universitet telekommunikatsiy im. prof. M. A. Bonch-Bruevicha Pulb., 2004. 240 p. (In Russian)

4. Barabash P. A., Vorob'ev S.P., Kurnosov V. I ., Sovetov B. Ya. Infokommunikacionnye tehnologii v global'noj informacionnoj infrastrukture. [Infocommunication technologies in the global information infrastructure] St. Petersburg: Nauka, 2008. 552 p. (In Russian)

5. Kurnosov V. I., Lihachev A. M. Metodologija proektnyh issledovanij i upravlenie kachestvom slozh-nyh tehnicheskih sistem jelektrosvjazi [Methodology of design studies and quality management of complex technical telecommunication systems]. St. Petersburg: Tireks, 1998. 496 p. (In Russian)

Information about authors:

Verkhova G. V., PhD, professor, head of the department of telecommunications companies automation, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications. Belous K. V., PhD, assistant professor of department of telecommunications companies automation, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications.

For citation: Verkhova G.V., Belous K.V. Automated operator workplace of communications network special purpose point. H&ES Research. 2017. Vol. 9. No. 2. Pp. 18-23. (In Russian)