CC BY
83
Юрков Н.К.
Пензенский государственный университет
К ПРОБЛЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Почему мы говорим об информационной революции? Что революционного появилось в информатизации по сравнению со счетами? Какие новые принципы работы с информацией появились? Разве что появились супер быстроходные ЭВМ, способные последовательно сложить два числа со скоростью, равной скорости света? Но ведь принцип костяшек от счетов не изменился. И вообще, по второму началу термодинамики, которое предсказывает тепловую смерть планет, новая информация не может образовываться, она существовала, существует и будет только уменьшаться во времени.Так где же все-таки скрываетсяин-формационная революция?
Дело в том, что в современном мире наблюдается революционный взрыв электронных средств предоставления, хранения, обработки и выдачи информации, которая не появляется вновь, но существовала всегда. Следовательно, не информационная революция на дворе, а революционное развитие радиоэлектроники, прорыв в микро- и нано- размерные технологии, появление принципиально новых подходов к получению, хранению, обработке и выдаче информации.
В задаче распознавания состояния безопасности различных сложных технических систем (СТС) наиболее точное решение может быть получено, если оно принимается на основе достаточного количества исходных данных. В большинстве практических задач все многообразие состояний СТС может быть сведено к нескольким классам, число которых невелико ввиду ограниченного набора действий, принимаемых в том или другом состоянии. В простейшем случае речь идет о двух состояниях СТС (опасное или неопасное, устойчивое или не устойчивое и т.д.). В подобных задачах проводится измерение каких-либо физических параметров, характеризующих состояние СТС, и классификация состояний СТС осуществляется по полученным значениям.
Рассмотрим информационные критерии эффективности и необходимости контроля для достижения необходимого уровня безопасности. До проведения операции контроля неопределенность состояния объекта контроля характеризуется априорной безусловной энтропией H(W) , где W — состояние объекта контроля. После проведения операции контроля путем измерения значений одного или нескольких параметров х неопределенность состояния будет характеризоваться усредненной величиной — полной условной
энтропией H (w| x) . Разность этих величин
/ = н (W) - H (w | x) (1)
представляет собой количество информации, полученной в результате операции контроля, и может характеризовать качество метода или системы контроля. Однако значение этой величины зависит от априорных вероятностей состояния объекта и основания логарифма при ее вычислении. Поэтому более предпочтительной является относительная величина — информационная эффективность
Э = H (w) - H(w|x)
H (w) .
Она характеризует информационную эффективность параметров контроля и СТС в целом безотносительно к основанию логарифма. Значение величиныЭ изменяется в пределах от 0 до 1. Здесь: k
H(w) = -£P(w)logn P(w) , (3)
i =1
где P(w;) — априорные вероятности состояний; k — число состояний; П — основание логарифма
(П = 2) . В случае двух состояний (устойчивое и неустойчивое) энтропия вычисляется по формуле
H (wh ) =-P(wh ) logP(wh ) - P(wy) logP(wy) (4)
Полная условная энтропия H (w| x) определяется как
н (w | x) = J p(x)H (w | x) = - J{P(wy)p(x | wy) log2
x x
P(wy)p(x | wy) P( x)
+
+P(wh )p(x wh )log2
P(wH )p(x \wH )
p( x)
}dx
(5)
Здесь P(wi ) — априорные вероятности состояний wi : P( x | wi ) — условные вероятности параметра контроля (одного или нескольких) в состоянии Wj ; p(x) - плотность вероятности параметра (параметров) контроля x :
p(x) = 2P(W)p(x | w) ; (6)
H (w| x) — частная условная энтропия:
H (w| x) = -2 P(W l x)log2 P(w l x) (7);
где апостериорные вероятности P (x|W) вычисляются по формуле Байеса
P(W | x)
P(W)p(x |w) p( x)
(8)
Свойства СТС характеризуются необходимостью контроля, которая оценивается относительным недостатком информации, требуемой для надежного принятия решений. Показатель необходимости контроля
N =
H (w H (w
)) - н
Д
(9)
где H д — допустимое значение энтропии, вычисляемое через допустимые вероятности состояний.
Значения N изменяются в пределах от -~ до 1. Положительные значения свидетельствуют о необходимости контроля, отрицательные — о его необязательности.
В случае двух состояний объекта (Wy и WW) допустимая вероятность неустойчивого состояния может быть принята равной Рд (&н) =0,00135 из условия граничного значения, равного трем среднеквадратическим отклонениям. В этом случае Hд =0,0148 бит при измерении энтропии в двоичных единицах информации. Для соответствия выбранных параметров контроля требованиям, которые обусловлены объектом, следует выполнять условие
Э > N . (10)
Расчет информационной эффективности, а также дальнейшие вычисления при определении состояния объекта с использованием критерия Байеса предусматривают использование условных плотностей вероятности параметров контроля, соответствующих различным состояниям объекта. Очень часто при построении условных плотностей вероятности используется нормальный закон распределения, что позволяет значительно упростить вычисления.
Параметр порядка называется информатором и после установления порядка информация сокращается, поэтому следует за признак безопасности принять минимум информации, циркулирующей в системе, т. к. по количеству информации можно судить о безопасности - даже информационный градиент позволяет судить о приближающейся катастрофе.
Согласно предложенному в [1] информационному критерию безопасности, безопасность достигает своего максимума только в том случае, когда все выполняемые элементарные операции (атомы), из которых состоит процесс, как субъект безопасности, имеют минимальную вероятность сбоя, другими словами находятся под постоянным контролем, что задается выбранной частотой контрольных операций.
Переход на катастрофический сценарий развития ситуации сродни буферкации, т.е. происходит переход количества в качество, переход в другой аттрактор, имеющий катастрофически низкий потенциальный (организационный, энергетический, информационный, затратный) уровень, в который скатывается высокоорганизованная система с поразительной скоростью. Идти вниз легче, чем подниматься в гору.
Таким образом, на концептуальном уровне необходимо предусмотреть меры, разрушающие рекуррентный алгоритм управления (построения) СТС (и не только технических, а произвольных сложных систем).
На техническом уровне нельзя оценивать безопасность, как во многих современных приложениях, по временным характеристикам (например, по величине дисперсии промежутков между регламентными осмотрами и ремонтами), т. к. они (осмотры и ремонты) не обеспечивают отсутствие сбоев (в том числе и катастрофических) в работе системы. Так, в теории гарантированного управления эксплуатацией это положение вполне доказывается.
Что может служить критерием безопасности? Как это можно связать с информационным критерием безопасности?
Если аттрактор рассматривать как устойчивое состояние системы, переход на которое сопровождается всплеском (резким увеличением) количества информации, а катастрофа - это самый нижний энергетический уровень (энтропийный) согласно законам термодинамики, при переходе на который не только не тратится, но даже выделяется большое количество энергии (той энергии, которая была затрачена на организацию среды существования СТС), то для обеспечения безопасности следует предотвратить буферкацию - как переход сложно организованной системы плюс сильный случайный толчок в новый аттрактор. Для этого на концептуальном уровне следует установить буфер, способный вернуть систему в сбалансированное состояние, но этот буфер должен обладать другой (отличной) физической структурой, не должен описываться рекуррентной моделью, должен в момент времени появления внешнего толчка (внешней накачки, если сравнивать с лазерным излучением) поднять «энергетический» барьер, с тем, чтобы не допустить «туннельного перехода» системы из стабильного в катастрофическое состояние .
Как избежать катастроф? Как победить терроризм? Как обеспечить системную безопасность?
Только находясь под постоянным контролем, только погрузившись в облако электронных средств контроля, вездесущего и непобедимого, на подобии распространения на нашей планете плесени, которая за счет своего многообразия все проникновения непобедима, можно надеяться на обеспечение системной безопасности.
Современные электронные технологии позволяют приступить к осуществлению такой утопической мысли, каковой является мечта о безопасном мире. Ведь еще две тысячи лет эта мечта воплотилась во всевидящем оке божьем.
Используя «облачную терминологию» можно представить систему обеспечения глобальной безопасности так, как это сделано на рисунке 1.
Здесь всепроникающие источники энергии (в том числе и альтернативные) обеспечивают бесперебойное снабжение энергией. В центре системы (под неусыпной охраной) находится человеческий фактор, как главный источник опасности, для защиты от которого подразумевается создание глобальных (мировых, всепроникающих) систем связи, сбора информации (содержат датчики, сенсоры), систем автоматической обработки информации, а также исполнительные механизмы.
Как нам видится ближайшее будущее, за счет глобализации развития электроники, в том числе и печатной, произойдет новый взрыв коммерческих применений электроники, расширяющий достигнутые границыконтроля за ситуацией.
Автоматы обработки информации примут на себя основную нагрузку по выявлению потенциально опасных ситуаций и выработают управляющие воздействия на исполнительные механизмы.
Рисунок 1 - Глобализация систем безопасности
Рассмотрим основные источники угроз.Как это не печально, но основным источником техногенных катастроф, по-прежнему, остается человеческий фактор. Конечно, непредсказуемый цунами может наделать великих бед, но, по сравнению с числовыми характеристиками катастроф, как это не кощунственно выглядит, природа занимает далеко не первое место в списке «организаторов» катастроф. По-прежнему, человек со своими слабостями порождает подавляющее большинство техногенных аварий, уносящих множество человеческих жизней и принося колоссальные убытки. В связи с этим позвольте сделать вывод о том, что главная цель глобальной безопасности - это устранение человеческого фактора из систем управления множественными катастрофосодержащих процессов.
Несмотря на это, не следует забывать, что основными процессами (элементами нештатных ситуаций, приводящих к катастрофам), контроль которых обеспечит системную безопасность, являются: болезнетворные микроорганизмы, химические вещества, газовые выделения,
усталостные явления в материалах,
алогичное поведение человека (психологические отклонения), климатические изменения,
болезнь человека (физиологические изменения), симптомы старения,
изменения в магнитных, гравитационных, электрических и др. полях и т. д.
Отследить за изменениями в вышеперечисленных процессах поистине невозможно на данном этапе развития цивилизации. Но в настоящее время глобальный прорыв в решении этой проблемы видится в развитии так называемой органической и печатной электроники.
Прежде всего, название «органическая и печатная электроника» вовсе не означает, что все используемые материалы являются органическими, и наносятся они исключительно методами печати. На наш взгляд, достаточно удачны определения органической и печатной электроники, приведенные в Википедии. Согласно им, печатная электроника - «совокупность печатных методов, используемых для
создания электронных приборов». А органическая, или пластиковая, или полимерная электроника -«направление в электронике, основанное на применении проводящих полимеров, пластиков, органических соединений с низкой молекулярной массой (smallmolecular)» [2].
Таким образом, слова «органическая» и «печатная» характеризуют одно и то же направление в электронике, но по разным признакам: первое отражает преимущественный состав используемых мате-
риалов, а второе - преимущественную технологию нанесения материалов в процессе производства устройств .
Основные преимущества органической электроники в сравнении с традиционной заключаются в меньшей стоимости изготовления устройств, их гибкости, применении более простых технологий изготовления, а также возможности изготовления изделий большой площади, что особенно актуально для экранов и систем освещения [3].
Вместе с тем на настоящем этапе развития органической электроники она не лишена ряда недостатков: низкого разрешения при печати (>5 мкм), низкой степени интеграции, низкой подвижности носителей заряда, ограничивающей диапазон рабочих частот. Так, при подвижности носителя заряда 0,5 см2/(В^с) максимальная рабочая частота составит 100 кГц.
Как правило, в органической электронике используются гибкие полимерные основания. Однако их использование создает ряд проблем. Гибкие основания обычно не полностью стабильны по размерам, что может существенно сказаться на разрешении и совмещении при печати рисунка. Кроме того, при воздействии высоких температур гибкие основания могут расплавиться, что ограничивает технологические возможности при производстве изделий органической электроники. В качестве гибких оснований в органической электронике наиболее широко применяются такие полиэфиры, как полиэтилентерефталат и полиэтиленнафталат; также могут использоваться полиимид, полипропилен, полилактид, циклоолефиновый сополимер, бумага и другие материалы.
Проводники необходимы практически во всех изделиях органической электроники. К проводникам предъявляется ряд требований, включающих низкое сопротивление, гладкость поверхности, химическую стойкость. Выделяют три группы материалов, используемых в органической электронике в качестве проводников: материалы на основе металлов; органические соединения; оксиды металлов.
Органические полупроводники используются в различных активных устройствах, причем многие из них могут быть нанесены из раствора, в том числе методами печати. В органической электронике в качестве полупроводников могут применяться следующие группы материалов: полимеры, например, политиофен; олигомеры, например, олиготиофены; органические соединения с низкой молекулярной массой,
например, пентацен и его производные; углеродные нанотрубки; «гибридные» (органо-неорганические)
материалы.
Мобильность носителей заряда в органических полупроводниках сравнима с аморфным кремнием, но пока значительно ниже, чем в поликристаллическом кремнии. Ожидается, что в ближайшие несколько лет мобильность носителей заряда достигнет уровня поликристаллического кремния: сначала в лабораторных условиях, а потом и в серийно выпускаемых устройствах. Это станет возможным благодаря оптимизации органических соединений с низкой молекулярной массой и полимеров или использованию новых материалов, таких как углеродные нанотрубки или гибридные материалы. Большинство используемых сейчас органических полупроводников, в частности, пентацен и политиофен, относятся к полупроводникам р-типа, но полупроводники n-типа становятся более распространенными. Наличие полупроводников р- и n-типа позволяет реализовывать структуры типа КМОП, обладающие существенными преимуществами, в том числе меньшим энергопотреблением.
Для производства изделий органической электроники может быть использована глубокая, флексо-графская, офсетная, трафаретная и струйная технологии печати, а также лазерная абляция.
На сегодняшний день очень успешно серийно выпускаются билеты, идентификационные карточки, солнечные батареи и другие изделия органической и печатной электроники. Конечно, по многим техническим характеристикам эти изделия уступают кремниевым аналогам: КПД солнечных батарей ниже, а объемы органической памяти и частота органического процессора несоизмеримо меньше. Тем не менее, уникальные преимущества органической и печатной электроники, заключающиеся в низкой стоимости массового производства, гибкости и возможности изготовления изделий большой площади, а также высокие темпы совершенствования изделий открывают перед ней широкую область применения, ведь далеко не во всех устройствах нужны гигабайты памяти и гигагерцы частот. В самое последнее время появилась информация о создании в нашей стране дистанционных обнаружителей взрывчатых веществ, определении неадекватного поведения человека и др. Все это ведет к глобализации контроля, расширении его функций, добавляя в которые функции пресечения развития катастроф, мы получим «безопасное» существование человечества.
Таким образом, расширяя сферу применений электроники (в том числе и печатной) возможно достичь глобального контроля за ситуацией, ведь все катаклизмы предваряются какими-то ни было изменениями физических сред, зафиксировать, распознать и правильно интерпретировать которые - и есть задача современной электроники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Юрков Н.К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами Пенза, ИИЦ Пенз. гос. ун-та, 2003, - 198 с.
2. Нисан А. Органическая и печатная электроника - новая ветвь развития. Поверхностный монтаж. Инф. бюллетень ЗАО Предприятия ОСТЕК, №4(90), 2011, с. 14-19
3. Юрков Н.К. К проблеме обеспечения безопасности сложных систем //Надежность и качество -2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. -1 т. - с. 104-106.
