CC BY
87
УДК 623.618
К ВОПРОСУ ВЫБОРА КОМПЛЕКСОВ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И СВЯЗИ В ИНТЕРЕСАХ СОЗДАНИЯ (РАЗВИТИЯ) ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОРГАНИЗАЦИОННОГО ТИПА
Лясковский Виктор Людвигович
советник генерального директора по научной работе и инновациям АО "НИИИТ", доктор технических наук, профессор, эксперт РАН
Бойко Александр Иванович
начальник отдела АО "Концерн ВКО "Алмаз-Антей"
Соколов Юрий Александрович
студент Военного институтаМГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация. Приведена структурная схема информационно-телекоммуникационной системы, наиболее общая формулировка, а также общий подход к решению задачи выбора системотехнических решений по созданию (развитию) информационно-телекоммуникационной системы с учетом ресурсных ограничений на отдельных плановых этапах. Произведена оценка сложности алгоритма решения поставленной задачи, приведено обоснование выбранного метода решения, приведен возможный алгоритм решения.
Ключевые слова: информационно-телекоммуникационные системы, комплексы средств автоматизации, универсальные модульные узлы связи.
Lyaskovskiy Victor Ludvigovich, advisor to the General Director for research and innovation of Joint-stock company "Scientific-research Institute of information technologies", doctor of technical Sciences, Professor, expert of the Russian Academy of Sciences, Tver, Russian Federation.
Boyko Alexander Ivanovich, head of Department of JSC "Concern VKO "Almaz-Antey", Tver, Russian Federation.
Sokolov Yuri Alexandrovich, student of the Military Institute of the BMSTU, Georgievsk, Stavropolsky Krai, Russian Federation.
To the question of selecting complexes of automation and communication facilities in interest of creating (development) of information and telecommunication
systems of organizational type.
Adstract. The structural diagram of the information and telecommunication system, the most general formulation, as well as the general approach to solving the problem of choosing system-technical solutions for the creation (development) of the information and telecommunication system, taking into account resource constraints at individual planning stages, is given. The complexity ofthe algorithm for solving the problem is estimated, the method of solution is justified, and a possible algorithm for solving the problem is given.
Keywords: information-telecommunication systems, automation systems complexes, universal modular communication nodes.
Введение. Управленческие решения по руководству силами и средствами военного с специального назначения реализуются в системах обработки информации и управления (СОИУ), специально создаваемых в соответствующих силовых министерствах и ведомствах Российской Федерации. Повышение эффективности применения таких систем может быть достигнуто за счет комплексной автоматизации процессов обработки и передачи информации, а также процессов управления. Эти меры реализуются в процессе создания (развития) соответствующих информационно-телекоммуникационных систем организационного типа (ИТС)1,2. Связь между органами (объектами) из состава ИТС
реализуется с помощью телекоммуникационной подсистемы (ТКП)1. При этом элементы из состава ТКП узлы связи (УС) оснащаются соответствующим оборудованием связи, а органы управления (ОУ) из состава СОИУ -комплексами средств автоматизации (КСА).
1. Описание типовой структурной схемы информационно-телекоммуникационных систем.
Обобщенная структурная схема типовой ИТС приведена на Рисунке 1 и содержит подсистему обработки информации и управления, ТКП и подсистему внешних объектов1.
Подсистема обработки информации и управления ИТС состоит из ОУ, в которых есть центр обработки информации и управления (ЦОИУ) и пункты обработки информации и управления (ПОИУ) различных иерархических уровней, на которых, как правило, размещаются КСА. Подсистема внешних объектов включает как источники, так и потребители информации.
Как правило, в ИТС реализуются различные функциональные подсистемы (ФПс), которые включают ряд функциональных процессов (ФП), а функциональные процессы состоят из ряда функциональных задач (ФЗ). Функциональные подсистемы могут быть реализованы как на одном, так и на разных уровнях управления ИТС. В зависимости от особенностей реализации задач в ИТС их можно классифицировать следующим образом11:
- неавтоматизированные функциональ-
ТЛ
Рисунок 1. Обобщенная схема ИТС
ные задачи, которые реализуются в ИТС оперативным составом ЦОИУ (ПОИУ);
- автоматические функциональные задачи, выполняемые на одном уровне управления, которые реализуются КСА;
- автоматические функциональные процессы, выполняемые на разных уровнях управления, которые реализуются КСА и универсальными модульными узлами связи (УМУС);
- автоматизированные функциональные задачи, выполняемые на одном уровне управления, которые реализуются КСА и оперативным составом;
- автоматизированные функциональные процессы, выполняемые на разных уровнях управления, которые реализуются КСА, оперативным составом и УМУС.
2. Описание задачи выбора системотехнических решений по созданию (развитию) информационно-телекоммуникационных систем.
Ряд исследований по вопросам выбора системотехнических решений по созданию (развитию) автоматизированных информационных систем организационного типа и систем управления известны и описаны в работах2,4-7,14. Также описаны некоторые подходы к оценке эффективности работы оперативно-командного состава. Так, в учебном пособии под редакцией В.Л. Ля-
сковского12 описаны показатели надежности оператора в функциональной модели "человек - машина - среда".
Тем не менее при решении задачи выбора системотехнических решений по созданию (развитию) ИТС выбирались только решения по автоматизации ОУ за счет оснащения (дооснащения) ОУ серийными КСА2 или разрабатываемыми КСА2 с учетом допустимого (назначенного) ресурса использования КСА в составе ИТС для каждого планового этапа прогнозирования (ЭП).2,7,14 При этом не учитывались оценка и выбор элементов ТКП в интересах реализации "стволовых" ФПс и ФП. В данной статье подробно рассматривается структура ТКП, а также оценка и выбор элементов ТКП при создании (развитии) ИТС.
3. Описание структурной схемы телекоммуникационной подсистемы (ТКП).
Структурная схема ТКП приведена на Рисунке 23. ТКП состоит из УМУС и линий связи. В состав оборудования УМУС, как правило, входят комплексы и средства каналообразования, аппаратура обеспечения передачи конфиденциальных данных (аппаратура шифрования и криптозащиты передаваемых данных), комплексы и средства передачи данных, комплексы и средства обеспечения оперативно-командной (телефонной, громкоговорящей) связи (ОКС),
Телекоммуникационная подсистема
Комплексы и средства Средства телеграфной связи
каналообразования
Комплексы и средства Средства видеоконференцсвязи
передачи данных
Комплексы и средства обеспечения оперативно-командной (телефонной и громкоговорящей) связи Аппаратура обеспечения передачи конфиденциальных данных (аппаратура шифрования и криптозащиты)
Средства а втоматизи рован ной системы управления связью
Средства документального обмена
Электронная
почта
Факсимильная
Рисунок 2. Структурная схема ТКП
средства телеграфной связи, средства видео-конференцсвязи и документального обмена (электронной почты, факсимильной связи) (ДО), средства автоматизированной системы управления связью3. Рассмотрим некоторые отдельные составляющие ТКП, а именно примеры системотехнических решений по выбору комплексов средств обеспечения ОКС и средств ДО, аппаратуры шифрования и криптозащиты, линий (каналов) связи.
Примером современного системотехнического решения средств ДО является абонентский телеграфный терминал АТТ-4. АТТ-4 - это базовый комплект технических средств документального обмена (АТТ-4-БКТС ДО)8. Терминал АТТ-4-БКТС ДО предназначен для обеспечения обмена всеми видами телеграфных сообщений в соответствии с требованиями станционно-эксплуатационной службы на стационарных и мобильных узлах связи, электронной почтой и факсимильными сообщениями по каналам связи. Один комплект АТТ-4-БКТС ДО может обеспечить документальную связь до 20 направлений по различным каналам и передачу сообщений по мультисервисным сетям.
На Рисунке 3 приведен возможный вариант исполнения ТКП (УМУС и линии связи) с использованием терминала АТТ-4-БКТС ДО. В качестве системотехнического решения комплекса средств обеспечения ОКС можно
привести комплекс оперативно-командной громкоговорящей и телефонной связи КТС-01ЦС10. Комплекс оперативно-командной громкоговорящей и телефонной связи (КТС) предназначен для обеспечения оперативной, служебной громкоговорящей и телефонной связью подвижных и стационарных объектов. Основой комплекса является цифровая коммутационная станция громкоговорящей и телефонной связи емкостью до 32 абонентов прямой громкоговорящей и телефонной связи со встроенным источником питания. Возможно наращивание емкости коммутационной станции до 64, 96 и 128 абонентов.
В выборе системотехнических решений по созданию (развитию) ИТС помимо УМУС необходимо учитывать также линии связи. Линии связи обычно либо арендуются, либо организуются в ходе создания (развития) ИТС. В общем случае допустима классификация, приведенная на Рисунке 4. Линии связи разделяют на кабельные, радиолинии, ультразвуковые и инфракрасные. Кабельные линии (каналы) связи делятся на проводные, коаксиальные и волоконно-оптические линии (каналы) связи. Радиолинии делятся на радио, радиорелейные, тропосферные и спутниковые.
4. Постановка задачи выбора системотехнических решений по соз-
Рисунок 3. Вариант УМУС с линиями связи с использованием терминала АТТ -4-БТКПДО
Рисунок 4. Классификация линий связи
данию (развитию) информационно-телекоммуникационных систем.
Создание (развитие) ИТС предполагает проектирование (модернизацию) КСА для различных иерархических уровней системы, изготовление серийных образцов КСА, оснащение ими ОУ и элементов ТКП, аренду существующих линий связи, проектирование и строительство новых линий связи. При этом необходимо учитывать имеющиеся стоимостные ограничения на эксплуатацию, аренду существующих линий связи, производство серийных образцов, проектирование перспективных УМУС и КСА, проектирование и строительство новых линий связи.
Сущность выбора варианта решений по созданию (развитию) ИТС2,7,14 состоит в выборе для каждого планового ЭП системотехнических решений по автоматизации ОУ2. Кроме этого для каждого планового ЭП должны быть выбраны системотехнические решения по обоснованию элементов ТКП за счет оснащения (дооснащения) элементов ТКП серийными УМУС или разрабатываемыми УМУС с учетом допустимого (назначенного) ресурса использования УМУС в составе ТКП, а также по обоснованию решений по аренде, проектированию и строительству линий связи.
Также в процессе выбора варианта развития ИТС должны быть учтены еще технические, конструктивные, надежностные и вероятностно-временные требования, которые предъявляются подсистемой обработки
информации и управления и подсистемой внешних объектов из состава ИТС к ТКП.
Следует отметить, что ФП имеют различную степень значимости, которую определяет степенью влияния ФП на общую эффективность применения ИТС по целевому назначению. Существует подмножество тФП, которые должны быть обязательно реализованы в ИТС - ФП высшего приоритета.
Комплексный временной показатель, отражающий общее среднее время выполнения реализуемых ФП, целесообразно выбрать в качестве целевой функции для решения данной задачи. Для этого ниже будем использовать два частных показателя:
1. Показатель оценки среднего времени выполнения ФП высшего приоритета (ФПв).
2. Показатель оценки среднего времени выполнения остальных реализованных ФП (ФПо).
Учитывается, что ряд ФП необходимо выполнять в масштабе реального времени.
Показатели оценки среднего времени выполнения ФП могут быть записаны как среднее арифметическое средних временных параметров выполнения всех ФЗ, составляющих данный ФП с учетом ФЗ, реализуемых в подсистеме обработки информации, а также выполнени необходимых процессов передачи информации.
При этом для выбранных показателей, если для выбранного ФП созданы все составляющие его ФЗ, то ФП будем считать реализованным. В случае, если требования к временным или вероятностно-временным характеристи-
кам (ВХ, ВВХ) выполнения рассматриваемого ФП заданы, то для реализации ФП требования к ВХ и ВВХ должны выполняться.
Исходные данные, которые принимаются при решении задачи выбора системотехнических решений по выбору КСА в интересах создания (развития) СОИУ, описаны в некоторых работах2,5,6. При решении рассматриваемой задачи в качестве исходных данных необходимо также принять:
1. Типы УМУС, предназначенных для оснащения элементов ТКП.
2. Текущий вариант оснащения элементов ТКП УМУС, в том числе включающий сведения о типах эксплуатируемых УС, их остаточном ресурсе и временных параметрах реализуемых в них ФЗ.
3. Перечень организационных, производственных и финансовых характеристик предприятий, выполняющих работы или разработки производства, поставки УМУС, сдачи в аренду линий (каналов) связи.
Задача решается с учетом следующих
условий и допущений2,5,6:
-УМУС для оснащения элементов ТКП представляются как атомарные элементы;
- в рамках допустимого ресурса использования УМУС всех типов, а также при принятии решения по продлению срока эксплуатации УС, технические, конструктивные и надежностные характеристики реализации ФП (ФЗ) остаются неизменными и удовлетворяют заданным требованиям;
С учетом перечисленных исходных данных, принятых допущений и ограничений формализованная постановка задачи формирования решений по развитию ИТС в условиях ограничений по стоимости и времени может быть представлена в следующем виде.
На каждом ЭП необходимо определить вариант создания (развития) ИТС на основе выбора системотехнических решений X* (и),У* (и), обеспечивающий достижение максимальной эффективности реализации ФП Э(Х* (и),У* (и)). При этом выбранные решения должны обеспечивать обязательную реализацию ФПв, заданных предельно-допустимых ВХ и ВВХ реализации ФП, а также при выполнении заданных (назначенных) ограничений на стоимостные Сдоп и временные Тдоп па-
раметры процесса создания (развития) ИТС:
<Х*(и),У*(и)> =а^тахХУЭ(Х(и),У(и)), (1)
при выполнении ограничений:
О(Х(и),У(и))ПОв = Ов;
V/,/ е П^: Р/ (Х(и),У(и)) > РГ;
V/,/ е (Х(и), У(и)) < тГр;
С(Х(и),У(и)) < Сдоп (и);
Т(Х(и),У(и)) < ТдоП (и);
где
- и е{1,...,и},и, - количество плановых ЭП создания (развития) ИТС;
- X (и) - решения по изготовлению КСА, оснащению ОУ, разработке КСА и продлению эксплуатации КСА;
- У*(и) - решения по изготовлению УМУС и оснащению ОУ, разработке УМУС, аренде УМУС и продлению эксплуатации УС (УМУС);
- О (Х(и),У(и)) - множество реализованных ФП;
- - множество ФПв;
- Орв1 - множество ФП реального времени, для которых предъявляются требования к ВВХ их реализации в ИТС;
- Орв2 - множество ФП реального времени, для которых предъявляются требования к ВХ их реализации в ИТС;
- Р{ (Х(и),У(и)) - вероятность реализации /-го ФП за заданное время;
- ртр- требуемая вероятность реализации /-го ФП;
- т (Х(и),У(и)) - среднее время реализации /-го ФП;
- тТр - требуемое среднее время реализации /-го ФП;
- С(Х(и),У(и)) - стоимость варианта <Х(и)Д(и)> создания (развития) ИТС;
- Сдоп (и) - финансовые ограничения на развитие ИТС на каждом ЭП;
- Т(Х(и),У(и)) - продолжительность выполнения работ по созданию (развитию) ИТС для варианта <Х(и)Д(и)>;
- Тдоп (и) - длительность каждого ЭП.
5. Сущность оценки временных и вероятностно-временных характеристик
функционирования информационно-телекоммуникационных систем.
Наиболее распространенными и применяемыми на практике для оценки ВХ и ВВХ функционирования ИТС, их подсистем и элементов являются следующие типы моделей:
- аналитические модели;
- имитационные (монтекарловские) модели;
- комбинированные аналитико-имитационные модели;
- метамодели;
- полунатурные и натурные модели (модели, основанные на физических принципах функционирования ИТС).
На ранних этапах проектирования ИТС особую ценность для оценки и выбора эффективных проектных решений представляют аналитические, имитационные и комбинированные аналитико-имитационные модели.
В интересах оценки характеристик и параметров функционирования ИТС на основе аналитических моделей элементы подсистем обработки и передачи информации могут быть представлены в виде сетей и систем массового обслуживания (ССМО). Назовем основные формализуемые параметры типовых ССМО: входящий поток заявок, очередь заявок, каналы обслуживания, выходящий поток заявок (включая потоки обслуженных и потерянных заявок). Порядок постановки заявок в очередь определяется дисциплиной ожидания, а порядок выбора заявок - из очереди для назначения на обслуживание, дисциплиной обслуживания.
В общем случае источниками входных заявок являются подсистемы внешних объектов, а также элементы подсистем обработки и передачи информации, например запросы должностных лиц ОУ, заявки на включение периодических задач в КСА.
При построении аналитических моделей оценки ВХ и ВВХ функционирования ИТС каждому элементу подсистем обработки и передачи информации становится в соответствие ССМО. При этом формализуемые параметры ССМО подбираются исходя из реально существующих физических процессов, происходящих в соответствующих элементах ИТС: интенсивности входящих потоков, емкость буферных накопителей информации,
тип и параметры дисциплин обслуживания, быстродействие каналов обслуживания и др.
При построении имитационных моделей оценки ВХ и ВВХ функционирования ИТС, как правило, применяется принцип продвижения модельного времени до особых событий ("принцип особых состояний"), а формализуемые подсистемы, элементы и процессы функционирования также подбираются исходя из реально существующих физических процессов, происходящих в ИТС.
К основным выходным данным аналитических, имитационных и комбинированных аналитико-имитационных моделей оценки ВХ функционирования ИТС относятся следующие:
- среднее время задержки информации (время исполнения заявок);
- параметры загрузки всех вычислительных модулей, технических средств и устройств ИТС (загрузка в секундах, загрузка в процентах, количество включений);
- суммарное время наработки каждым алгоритмом за цикл, количество включений, максимальная длина очереди, период включения;
- среднее количество заявок на входе вычислительных модулей и устройств;
- количество необслуженных заявок различных типов;
- среднее время ожидания заявки на выполнение ФЗ;
- среднее время ожидания на общей шине обмена;
- вероятность передачи сообщения заданного объема между двумя ОУ из состава ИТС за требуемое время;
- вероятность превышения допустимого отклонения времени передачи от своего наиболее вероятного значения;
- вероятность приема сообщения с ошибкой (вероятность обнаружения ошибки) для сообщений различных типов;
- вероятность необнаруженной ошибки для сообщений различных типов;
- вероятность искажения сообщений различных типов;
- вероятность своевременного выполнения заявок;
- относительный показатель потерь заявок в буферных накопителях;
- относительный показатель потерь заявок различного типа из-за превышения директивного срока их нахождения в очереди на обработку и передачу (обесценивания информации);
- относительный показатель потерь заявок различного типа из-за ограниченной надежности математического и программного обеспечения КСА;
- относительный показатель потерь заявок различного типа из-за ограниченной надежности аппаратуры ИТС.
6. Общий подход к решению задачи.
Приведем подробное описание общей процедуры и элементов предлагаемого научно-методического аппарата11 с учетом принятых исходных данных и допущений.
Шаг 0. Формирование исходных данных.
Шаг 1. Анализ тенденций развития внешних систем, организаций и структур на заданный горизонт прогноза.
Шаг 2. Анализ требований по реализации процессов обработки и передачи информации на заданный горизонт прогноза.
В результате выполнения шагов 1 и 2 должны быть сформированы: перечень необходимых для реализации в ИТС ФПс, ФП и ФЗ; перечень рекомендуемых для реализации в ИТС ФПс, ФП и ФЗ; требования к ВХ и ВВХ реализации ФПс, ФП и ФЗ.
Шаг 3. Формирование перечней и основных параметров, реализованных на рассматриваемый момент времени в ИТС ФПс, ФП и ФЗ.
В результате выполнения шага 3 должны быть сформированы: перечень реализованных в существующей ИТС ФПс, ФП и ФЗ; ВХ и ВВХ реализованных в существующей ИТС ФПс, ФП и ФЗ.
Шаг 4. Формирование ФПс, ФП и ФЗ, заданных к реализации на рассматриваемых интервалах прогноза, в рамках выполняющихся научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке новых или модернизации существующих КСА и УМУС на рассматриваемых интервалах прогноза. Прогнозная оценка ВХ и ВВХ ФПс, ФП и ФЗ, заданных к реализации.
Шаг 5. Сопоставительный анализ реализованных на рассматриваемый момент
времени и требующих реализации (необходимых) ФП, ФПс, ФЗ, их ВХ и ВВХ. Выявление ФП, ФПс, ФЗ, требующих разработки, в том числе разработки или модернизации существующих КСА и УМУС.
Шаг 6. Формирование допустимых вариантов системотехнических решений по развитию ИТС ВН, для которых обеспечивается реализация необходимых ФП, ФПс, ФЗ, а также их ВХ и ВВХ.
Варианты системотехнических решений по развитию ИТС для каждого планового этапа должны включать:
- решения по снятию с эксплуатации КСА и УС, выработавших свой ресурс или морально устаревших КСА и УС, а также замене их на новые;
- решения по изготовлению новых КСА и УМУС для их поставки на органы и объекты из состава ИТС;
- решения по доработкам (модернизации) существующих КСА и УМУС в интересах реализации в них автоматизируемых требуемых и (или) рекомендуемых ФПс, ФЗ и ФП;
- решения по разработке перспективных КСА и УМУС с обоснованием организации функционирования, перечня и параметров реализуемых ФПс, ФП и ФЗ, а также обеспечением требуемых сроков их создания, изготовления, поставки на объекты автоматизации и элементы ТКП и вводу в эксплуатацию;
- решения по порядку и последовательности оснащения органов и объектов из состава ИТС соответствующими КСА и УМУС на плановых этапах её развития;
- решения по построению собственных линий связи или аренде линий (каналов) связи.
Шаг 7. Выбор наилучшего варианта системотехнических решений, обеспечивающего максимизацию эффективности реализации ФП, ФПс, ФЗ в ИТС, при обеспечении обязательной реализации ФП и ФЗ высшего приоритета, заданных предельно допустимых ВХ и ВВХ, реализации ФП, ФПс, ФЗ.
7. Оценка трудоемкости и алгоритм.
Рассматриваемую задачу можно считать задачей условной дискретной оптимизации. Необходимо выбрать в условиях ограничений наиболее эффективное решение.
Проведенный анализ алгоритмической сложности доказал NP трудность решения поставленной задачи.
Проведем оценку решения поставленной задачи методом полного перебора. Введем следующие обозначения:
- Кп - количество типов КСА для каждого ОУ;
- Ут - количество типов УМУС для объекта из состава ТКП;
- М - количество объектов из состава ТКП, при этом п е{1,...М};
- N - количе ство ОУ, при этом пе{1,..
Тогда число всех возможных вариантов
системотехнических решений по оснащению и изготовлению КСА и УМУС для всех ОУ, для каждого ЭП будет оцениваться в соответствии со следующей формулой:
<1 = П \=1 Кп*П М т=1 Ут (2).
Число всех возможных вариантов системотехнических решений по разработке КСА и УМУС для каждого ЭП будет оцениваться в соответствии со следующей формулой:
<22 = П^-1 КП2РП хПМт=1Ут 2Рт (3),
где 2Р" - число всех подмножеств множества ФЗ, решаемых на ОУ, ¥„ - число ФЗ, решаемых на каждом ОУ, а ¥т - число ФЗ, решаемых на каждом объекте из состава ТКП.
Число всех возможных вариантов системотехнических решений по продлению срока эксплуатации КСА и УМУС для каждого ЭП будет оцениваться в соответствии со следующей формулой:
<з = 2^М (4).
Число всех возможных вариантов системотехнических решений по аренде существующих линий (каналов) связи между объектами из состава ТКП для каждого ЭП будет оцениваться в соответствии со следующей формулой:
<4 = 2М (5).
Соответственно общее число вариантов перебора для каждого ЭП будет оцениваться в соответствии со следующей формулой:
во = в! • < • въ • 24 (6).
Очевидно, что современные технические возможности вычислительной техники не позволяют получить точное решение данной задачи методом полного перебора при исходных данных больших размерностей. В работе2 показано, что решение подобной задачи требует слишком больших вычислительных затрат, затрат электроэнергии и временных затрат при сравнительно небольших входных параметрах. В связи с этим целесообразно использовать приближенные методы решения задачи.
Различают несколько приближенных методов при решении задач, одним из которых является применение "жадного" алгоритма. Проверим применимость "жадного" алгоритма для решаемой задачи. Для этого рассмотрим частный случай выбора решений по изготовлению КСА и УМУС и оснащению ими ОУ для одного ЭП, без учета требований ВХ и ВВХ, обязательной реализации ФПв, но с учетом ограничений по стоимости.
Необходимо определить вариант создания (развития) ИТС на основе выбора системотехнических решений Х*(и), У*(и), обеспечивающий максимизацию эффективности реализации ФП Э(Х*(и),У*(и)), при выполнении ограничений на стоимостные Сдоп(и) параметры процесса развития ИТС:
<Х*(и),У*(и) > = аг^тах^ Э (Х(и),У(и)) (7)
при выполнении ограничений:
С(Х(и),У(и)) < Сдоп (и);
где
- Х(и) - решения по изготовлению КСА, оснащению ОУ, разработке КСА и продлению эксплуатации КСА;
- У(и) - решения по изготовлению УМУС и оснащению ОУ, разработке УМУС, аренде УМУС и продлению эксплуатации УС;
- С(Х(и),У(и)) - стоимость варианта <Х(и),У(и)> создания (развития) ИТС;
- Сдоп (и) - финансовые ограничения на развитие ИТС на каждом ЭП.
В поставленной задаче принцип "жадного" выбора может быть сформулирован следующим образом.
1. "Жадный" алгоритм выбирает из на-
бора решений решение с наилучшим соотношением эффективность/стоимость.
2. Решение со следующим наилучшим соотношением эффективность/стоимость и суммируется с предыдущим, если при этом соблюдается ограничение суммарной стоимости.
3. Действие 2 повторяется, пока соблюдается ограничение суммарной стоимости.
Для выбранной частной задачи помимо метода полного перебора для проведения исследования точности "жадного" метода был выбран метод ветвей и границ. Метод является вариацией полного перебора с отсевом подмножеств допустимых решений, не содержащих оптимальных решений. Он хорошо подходит для поставленной частной задачи, т.к. можно простым способом определять заведомо неоптимальные решения. Метод ветвей и границ также реализован во многих стандартных математических пакетах13. Однако для решения общей задачи выбора системотехнических решений по созданию (развитию) ИТС существующие реализации метода не применимы, поэтому для её решения данный метод необходимо разрабатывать.
В ходе проведенного исследования была найдена средняя точность решения частной задачи "жадным" алгоритмом. Точность вычислялась как отношение эффективности точного решения, полученного с помощью метода ветвей и границ, к эффективности решения, полученного "жадным" методом. Также подсчи-тывалось количество случаев, когда точность жадного метода была равна 100%. Решение получалось для заданного числа повторений на случайных входных данных, после чего вычислялось среднее значение точности.
В Таблице 1 показано, что точность "жадного" алгоритма в среднем очень велика, что позволяет использовать его в решении поставленной задачи.
Помимо результатов, полученных в Таблице 1, в ходе исследования было проведено измерение времени работы "жадного" метода и метода полного перебора на задачах разной размерности. Результаты этих измерений представлены в Таблице 2. Исследование проводилось на персональной электронно-вычислительной машине со
Таблица 1. Точность "Жадного " метода
Размерность задачи Число повторений Точность Количество совпадений сточным методом
100 50 98.8793% 15
200 50 99.3563% 6
300 50 99.6251% 8
400 50 99.6121% 11
500 50 99.6892% 9
600 50 99.7163% 6
700 50 99.7866% 3
800 50 99.832% 6
900 50 99.8193% 2
1000 50 99.8784% 5
следующими характеристиками: процессор Intel® Core™ 15-24450M CPU @ 2.50GHz 2.50 GHz, объем оперативной памяти 8 ГБ. В ходе проведенного исследования было установлено, что при решении задачи размерностью 30 время работы метода полного перебора уже превышало 6 часов.
Таблица 2.
Среднее время работы "жадного" метода и метода полного перебора
Размерность задачи Алгоритм Среднее время работы (сек)
5 Полный перебор 0.0
10 Полный перебор 0.015001058578491211
15 Полный перебор 0.4500010013580322
20 Полный перебор 16.823961973190308
25 Полный перебор 639.1055550575256
10000 Жадный алгоритм 0.8090460300445557
20000 Жадный алгоритм 3.2821879386901855
30000 Жадный алгоритм 6.9800097942352295
40000 Жадный алгоритм 12.351017951965332
50000 Жадный алгоритм 19.28902792930603
60000 Жадный алгоритм 28.3470401763916
70000 Жадный алгоритм 38.78405404090881
80000 Жадный алгоритм 50.33907103538513
90000 Жадный алгоритм 63.328088998794556
По результатам исследования можно сделать вывод, что при малых размерностях задачи (до 25) целесообразно использовать метод полного перебора при решении задачи, т.к. "жадный" метод не всегда дает точный результат. А при больших размерностях, в виду чрезвычайно большой трудоемкости метода полного перебора, использовать "жадный" метод, который позволяет получить решение, приближенное к точному.
На основании "жадного" метода можно предложить следующий алгоритм выбора
искомого решения2.
1. Формирование базового варианта решения для каждого ЭП:
1.1. Сортировка всех ФПс в порядке убывания важности. Рассмотрение каждого ФПс в соответствии с полученным списком ФПс.
1.2. Сортировка всех ФПв выбранного ФПс в порядке убывания важности. Рассмотрение каждого ФПв в соответствии с полученным списком ФПв.
1.3. Для выбранного ФПв рассмотреть-каждую пару ОУ разных уровней, ФЗ которой входят в рассматриваемый ФПв и между которыми должна быть обеспечена передача информации, в порядке уменьшения суммарной важности ФЗ.
1.4. Для выбранной пары ОУ выполняется рассмотрение каждого ЭП.
1.5. Для выбранного ЭП выполняются:
1.5.1. Оценка удовлетворения требований к ВХ и ВВХ решения всех ФЗ выбранного ФПв в УС. Если требования к ВХ и ВВХ выполняются не для всех ФЗ выбранного ФПв, то создается решение на оснащение рассматриваемого объекта ТКП новым УМУС на ЭП.
1.5.2. Оценка срока эксплуатации УС на объектах ТКП. Если продолжительность ЭП превосходит остаточный ресурс УС, и остаточный объем финансирования ЭП позволяет осуществить продление эксплуатации, то создается решение на продление срока эксплуатации УС.
1.5.3. Оценка выполнения требований к линиям (каналам) связи между элементами ТКП, в которых реализуются ФЗ выбранного ФПв. Если требования выполняются не для всех элементов ТКП, то создается решение на аренду линий (каналов) связи между рассматриваемыми элементами ТКП. Если создать решение на аренду линий (каналов) связи не удалось, то создается решение на создание собственных линий связи между рассматриваемыми объектами из состава ТКП.
1.5.4. Оценка срока эксплуатации линий (каналов) связи между объектами и элементами из состава ТКП, в которых реализуются ФЗ выбранного ФПв. Если продолжительность ЭП превышает остаточный ресурс линий (каналов) связи, и остаточный объем финансирования ЭП позволяет осуществить продление срока эксплуатации ли-
ний (каналов) связи, то создается решение на продление срока эксплуатации (аренды) линий (каналов) связи. Затем выполняется переход к очередному ЭП (п. 1.5).
1.6. Если рассмотрены все ЭП, то выполняется переход к очередной паре ОУ (п. 1.4).
1.7. Если рассмотрены все пары ОУ, то для выбранного ФПв рассматриваются все ОУ, на которых решаются ФЗ из состава рассматриваемого ФПв, в порядке уменьшения суммарной важности ФЗ.
1.8. Для выбранного ОУ последовательно рассматриваются все ЭП.
1.9. Для выбранного ЭП осуществляются:
1.9.1. Оценка реализации всех ФЗ выбранного ФПв. Если реализованы не все ФЗ, то создается решение на оснащение ОУ новым КСА2. Затем выполняется переход к очередному ЭП (п. 1.9).
1.9.2. Оценка удовлетворения требований к ВХ и ВВХ решения всех ФЗ выбранного ФПв в КСА. Если требования к ВХ и ВВХ не удовлетворяются для каких-то ФЗ выбранного ФПв, то создается решение на оснащение ОУ новым КСА2. Затем осуществляется переход к очередному ЭП (п. 1.9).
1.9.3. Оценка срока эксплуатации КСА на ОУ. Если остаточный ресурс КСА меньше продолжительности ЭП и остаточные стоимостные ресурсы ЭП позволяют продлить срок эксплуатации КСА, то создается решение на продление срока эксплуатации КСА. Затем выполняется переход к очередному ЭП (п. 1.9).
1.10. Если рассмотрены все ЭП, то выполняется переход к очередному ОУ (п. 1.8).
1.11. Если рассмотрены все ОУ, то выполняется переход к очередному ФПв (п. 1.3).
1.12. Если рассмотрены все ФПв, то выполняется переход к очередной ФПс (п. 1.2).
1.13. Если рассмотрены все ФПс, то базовый вариант решения сформирован, и осуществляется переход к п. 2.
2. Формирование рационального варианта для каждого ЭП.
Выполняются действия по п. 1.1-1.13. При этом все ФПв считаются реализованными, и последовательно в порядке убывания важности рассматриваются ФП не из состава ФПв. Задача решается в условиях оставшихся стоимостных ресурсов.
Заключение. Таким образом, в настоящей статье поставлена задача выбора системотехнических решений по созданию (развитию) ИТС, проведен анализ ее алгоритмической сложности и анализ применимости различных методов ее решения. Также предложен эвристический алгоритм, позволяющий обосновать решения по разработке и изготовлению КСА для оснащения ОУ из состава ИТС, а также продления срока эксплуатации действующих в системе КСА, по разработке и изготовлению УМУС для оснащения объектов ТКП, а также аренды линий (каналов) связи и продления срока эксплуатации действующих в ТКП УС.
Список литературы
1. Лясковский В.Л. Методика обоснования плана оснащения средствами автоматизации органов управления территориально распределенных информационно-управляющих систем организационного типа //Электронные информационные системы. - 2016.- № 4 (11). -С. 19-30.
2. Лясковский В. Л., Бреслер И. Б., Алашеев М. А. Формализация, оценка алгоритмической сложности и метод решения задачи выбора системотехнических решений по созданию (развитию) распределенных информационно-управляющих систем // Вестник ТвГУ Серия: Прикладная математика. - 2017. - № 3. -С. 73-91.
3. Структуризация основных характеристик интегрированных узлов связи в интересах выбора системотехнических решений по развитию многоуровневых информационно-управляющих систем/ В.Л. Лясковский, А.И. Бойко //Технические и технологические системы. - 2016. -С. 154-158.
4. Лясковский В.Л. Разработка общей процедуры оценки и выбора системотехнических решений по развитию многоуровневых информационно-управляющих систем/ В.Л. Лясковский, И.Б. Бреслер //Технические и технологические системы. - 2016. -С. 145-149.
5. Лясковский В.Л. К вопросу формализации задачи развития многоуровневых информационно-управляющих систем за счёт повышения степени автоматизации функциональных процессов в условиях ресурсных ограничений/В.Л. Лясков-ский, И.Б. Бреслер//Технические и технологические системы (ТТС-15): сб. матер. VII Межд. науч. конф. (Краснодар, 7-9 октября 2015г). -Краснодар, 2015. - С. 165-169.
6. Лясковский В.Л., Бреслер И.Б. К вопросу фор-
мализации общей задачи выбора направлений развития иерархических информационно-управляющих систем военного назначения за счет повышения степени автоматизации функциональных процессов в условиях ресурсных ограничений/Вооружение и экономика. - 2016. - № 4 (37). -С. 36-45.
7. Лясковский В.Л., Бреслер И.Б., Алашеев М.А. Постановка задачи формирования направлений развития автоматизированных систем организационного типа и алгоритм ее решения // Программные продукты и системы. -2017. - № 2. -С. 165-171.
8. Абонентский телеграфный терминал АТТ-4 [Электронный ресурс] // ЗАО НПФ "Сигма". - URL: http://www.npf-sigma.ru/produkt/ kompleksy_i_sistemy_peredachi_dannyh/att4/ (дата обращения: 15.12.2017)
9. Малогабаритные аппараты и встраиваемые блоки для защиты конфиденциальной речевой, факсимильной и документальной информации, передаваемой по ТфОП и сетям ISDN "Монолит" [Электронный ресурс] // Бюро научно-технической информации. - URL: http://www. bnti.ru/des.asp?itm=2667&tbl=04.03.07.01.&p=4 (дата обращения: 15.12.2017).
10. Комплекс оперативно-командной громкоговорящей и телефонной связи "КТС-01ЦС" [Электронный ресурс] // АО "Муромский радиозавод". URL: http://site.muromrz.com/?page_id=28 (дата обращения: 15.12.2017).
11. Лясковский В.Л. Разработка общей процедуры оценки и выбора системотехнических и организационных решений по развитию распределенных информационно-управляющих систем военного назначения/ В.Л. Лясковский, Ю.А. Соколов, С.А. Сычев//Актуальные вопросы развития вооружения, военной и специальной техники войск противовоздушной и противоракетной обороны, космических войск воздушно-космических сил: сб. науч.-методич. трудов II Всероссийской науч.-практич. конф. - М.: ИД "ВА ВВС им. Н.Е. Жуковского". - 2017. - С. 211-218.
12. Основы проектирования и эксплуатации автоматизированных систем управления военного назначения : учеб. пособие [под ред. В. Л. Лясковского]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 188 с.
13. Лысенко И.В., Бутенко В.О. Анализ возможностей решения задач дискретной оптимизации средствами систем компьютерной математики // Системи обробки шформаци- 2013. - №5 (112). - С. 96-101.
14. Лясковский В.Л., Бреслер И.Б., Алашеев М.А. Система поддержки принятия решений по созданию (развитию) распределенных информационно-управляющих систем организационного типа// Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. -2017. -Т. 9. -№6. -С. 61-72
