Качество функционирования автоматизированных систем управления специального назначения и технологии ее анализа Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЕЕ АНАЛИЗА

Носов Михаил Васильевич,

к.т.н., профессор кафедры инфокоммуникационных технологий и систем связи,

ФГБОУ ВПО Академия гражданской защиты МЧС России,

Россия, Московская область, городской округ Химки, Ключевые слова: качество, система, управление, надежность,

nosov.1933@mail.ru функционирование, вероятность, гипотеза, связность, модель.

Предметом статьи является качество функционирования автоматизированных систем управления специального назначения (АСУ СН), для анализа которой определены основные характеристики и показатели. Показано, что одной из наиболее значимых характеристик качества функционирования АСУ СН является надежность.

Цель - устранить сложность и трудоемкость решения задачи анализа надежности функционирования структурно-сложных территориально разнесенных АСУ СН и предложить инженерный метод решения этой задачи, в основе которого находится методология системного анализа. В качестве примера решения указанной задачи рассмотрена модель АСУ СН, представляющая собой радиально-кольцевую сеть, включающую исходный центр управления (ЦУ) Фд и периферийные (стоковые) пункты управления (ПУ)

, которые соединены между собой посредством радиальных I— и кольцевых (мостиковых) ребер ■ '= '

Для анализа надежности связей ЦУ со стоковыми ПУ в сложно структурированных АСУ СН предложен метод полного разложения мостиковых соединений (МПРМС) по модулю два (работоспособные или неработоспособные состояния мостиковых ребер).

В содержании статьи показано, что при разложении мостиковых соединений по модулю два, исходная структурно-сложная АСУ СН преобразуется в совокупность простых структур, которые используются для определения условных вероятностей связности ЦУ со стоковыми ПУ. Предложенный МПРМС определяет научную и практическую значимость данной статьи.

Научная значимость состоит в том, что впервые выполнено обобщение формулы разложения одномос-тиковой схемы, предложенной Э.Муром и К. Шенноном для анализа надежности связей в АСУ СН, в структуре которых может быть больше, чем одно мостиковое соединение.

Формально обобщение выражено в виде формулы полной вероятности, методика практической реализации которой рассмотрена в содержании статьи. Практическая значимость характеризуется возможностью применения МПРМС в практике анализа структурно-сложных АСУ СН. В заключении статьи показано, что рассмотренная радиально-кольцевая модель АСУ СН позволяет увеличить надежность связности ЦУ с периферийными ПУ на два порядка, относительно модели АСУ СН без кольцевых (мостиковых) соединении. Предложенный МПРМС является точным и его применение позволяет сократить число анализируемых состояний в 16 раз относительно метода полного перебора состояний всех элементов анализируемой структуры АСУ СН, и рекомендован для применения в инженерной практике анализа надежности связей в сложно-структурированных АСУ СН.

Для цитирования:

Носов М.Б. Качество функционирования автоматизированных систем управления специального назначения и технологии ее анализа // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №2. - С. 59-63.

For citation:

Nosov M.V. Quality of functioning of automated control systems special purpose and technology its analysis // T-Comm. 2015. No.2. Рр. 59-63.

Решение проблемы анализа качества функционирования автоматизированных систем управления (АСУ) специального назначения (СН) на всех этапах их жизненного цикла непосредственно связано с обеспечением национальной безопасности государства и пока имеет поисковый характер. В представленном докладе предлагается возможный подход к решению этой проблемы.

Качество функционирования АСУ СН определим как степень соответствия их общесистемных характеристик принятым оперативно-техническим требованиям (OTT).

Основными частными характеристиками качества функционирования АСУ СН следует считать надежность, живучесть и помехозащищенность, а также безопасность, своевременность и достоверность приема служебной информации. Кроме того к этой категории характеристик отнесем эффективность технической эксплуатации и обеспеченность АСУ СН запасными элементами и приборами (ЗЭП)[1].

Эффективность функционирования и эффективность целевого применения АСУ СН являются интегральными характеристиками, которые обуславливаются указанными выше частными характеристиками качества функционирования.

Количественную оценку качества функционирования АСУ СН будем проводить по обоснованным и принятым для практического применения показателям. Перечень характеристик качества функционирования АСУ СН и их показателей представлены в табл. I.

Принято считать, что основным вкладом в качество функционирования АСУ СН является надежность [2].

Современные АСУ СН, с целью повышения надежности и в целом качества их функционирования проектируются и создаются в виде радиально-кольцевых или сетецентрических сетей [3].

Таблица I

Основные характеристики и показатели качества функционирования АСУ СН

Рис. I. Модель радиально-кольцевой сети (РКС) с четырьмя радиальными направлениями

На рисунке I в качестве примера представлена модель радиально-кольцевой сети (РКС) в виде случайного графа, в котором использована сквозная нумерация элементов [4], т.е. - управляющий (истоковый) центр (узел) АСУ

СН; V - \Э;),! - /^-управляемые стоковые центры (узлы) АСУ СН; /у — | ^ — 5# - радиальные направления связи между управляющим и управляемыми центрами АСУ СН; ]} — | _ £ — 9 ]2 - кольцевые (мостиковые)

направления связи между управляемыми центрами (узлами) АСУ СН.

Наименование характеристик качества функционирования АСУ СН Определение характеристик качества функционирования АСУ СН Показатели характеристик качества функционирования АСУ СН

1. Надежность Свойство АСУ СН сохранять во времени в установленных пределах значения всех парзмегг-ров. характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, ремонта, хранения и транспортирования Коэффициент готовности определяется свойствами безотказности и ремонтопригодности (восстанавливаемости)

1. Живучесть Свойство АСУ СН сохранять работоспособное состояние при получении повреждений, и восстанавливать ее в течении допустимого времени за счет структурных и запасных ресурсов Коэффициент живучести -определяется свойствами неразрушаемости и восстанавливаемости в условиях поражающих факторов ЧС

3. Помехозащищенность Способность направления связи АСУ СН обеспечивать передачу-прием служебной информации в условиях воздействия непреднамеренных и преднамеренных помех Коэффициент помехозащищенности характеризуется свойствами безотказности и восстанавливаемости при воздействии помех

4. Своевременность Способность АСУ СН по приему и доведению служебной информации до соответствующих должностных лиц за случайное время Т не более допустимого Ь... т.е.Т<(:.. Вероятность p(t) передачи и доведения служебной информации до должностных лиц за случайное время не более допустимого: f>(t)= P{7"<tJ

5. Достоверность Способность АСУ СН не принимать ложной информации Вероятность неприема ложной инфорнации

6. Безопасность Способность АСУ СН не переходить в опасное состояние. (отсутствие неприемлемого риска) Полная вероятность возникновения опасных состояний.

7. Эффективность технической эксплуатации Приспособленность АСУ СН к выполнению работ по техническому обслуживанию и ремонту для заданных условий эксплуатации. Коэффициент готовности, коэффициент технического использования, средние удельные затраты на один час наработки

8. Обеспеченность АСУ СН запасными элементами и приборами {ЗЭП} Соответствие числа ЗЭП установленному уровню постоянной готовности АСУ СН. Сохранение установленного уровня коэффициента готовности АСУ СН

9. Эффективность функционирования Способность АСУ СН находиться в постоянной готовности к практическому применению. Полная вероятность нахождения АСУ СН в работоспособном состоянии

10. Эффективность целевого применения Способность АСУ СН выполнять заданные функций. Полное математическое ожидание целевого эффекта

Построение АСУ СН по радиально-кольцевому принципу увеличивает вероятность связности между истоковым (управляющим) центром и стоковыми (управляемыми) центрами (узлами) АСУ СН. Однако задача анализа этого показателя качества функционирования АСУ СН известными методами представляет собой чрезвычайно сложную и трудную задачу [5].

Ниже рассматривается применение метода полного разложения мостиковых соединений (МПРМС) для анализа надежности сложно структурированных АСУ СН, в основе которого находится известное положение о возможности создания сколь угодно надежных систем из ненадежных элементов [6].

Практическое применение этого метода рассмотрим на примере модели АСУ СН, представленном на рис. I. Для упрощения анализа надежности функционирования этой модели воспользуемся предположением о абсолютной надежности центров (узлов) АСУ СН [4]. Аналитическое выражение МПРМС применительно к этой модели будет иметь следующий вид [7]:

V О ),

(I)

где р( I": } - вероятность нахождения кольцевых ребер в состоянии /'*; р( Ст. ) = р(Ст /1) - условная вероятность связности вершины истока 90 с вершиной стока &! ($,-) ПРИ принятии гипотезы р. ■

Вероятность состояния (гипотезы) Г определим как .'■</• ; ///V/ ;//</</ Л

■=<="; (ъп, (2)

где п. и л, - обозначение соответственно числа работоспособных и отказавших кольцевых соединений, составляющих гипотезу ^; Р('/*) - вероятность нахождения

кольцевого соединения /': в работоспособном состоянии,

д(П)= I -Р(П).

Алгоритм расчета полной вероятности связности (I) вершины $ с кольцевыми вершинами 9,(9 ). сводится

■ ■ 1=2.4 ■

к последовательному выполнению следующих аналитических операций.

Вначале определим число состояний кольцевых ребер, которое равно Гк = 24 = 16, в том числе:

т-гк _ »к Iк »к /к . т-1 к _ гк ¡к ¡к /к ,

1 I ~ *9 ' 40'1П ' 42' 1 2 ~ 40 ' 41 ' 42'

г-'к _ тк тк тк Iк . г->к _ тк тк тк тк .

3 9 ' 10 * 41 ' 12' 1 4 ~ 19 ' 40 ' 41 ' 12'

т->к _ тк тк тк тк . т~<к _ тк тк тк тк .

1 5 — 11П ■ IП • 1П, 1 Л — 1ц • 1и) ' 1ц ■ 1Г2,

т~>к _ тк /к тк Iк . т-<к _ гк тк тк тк .

1 7 — 19 '*/(/' ' 1 8 ~ 19 ' 40 ' 41 ' 42*

¡-•к _ тк тк тк |к . г-1к _ тк тк тк тк .

1 9 ~ 9 '40 '41 ' 42' 1 10 ~ 19 ' 10 ' 41 '112>

7-гк _ тк тк тк тк „ т-*к _ тк тк тк тк ,

* П ~ 'с 40 ' 4) " 42' * !2 ~ ' У ' 40 ' 41 ' 42'

т-гк _ /к тк /к [к , 1-гк _ тк тк /к тк ,

' 13 ~ 19 ' 40 * 41 '42' ' ¡4 ~ 19 ' 40 ' 41 ' 42'

• ■ \ _ Iг ? л г . I • к _ ? 4 1Л ) А 1Л

. I.7 — 'р '1!(! ' 1 16 '1!1)

где Гк = |= 1,16 ~ совокупность гипотез (состояний) кольцевых ребер; черта «-» над индексом /' означает неработоспособное состояние кольцевого соединения.

Затем, с учетом состояний кольцевых рёбер (3) выразим событие Е1:, связности вершин 9, и !■}. анализируемой РКС С (рис. I) следующим образом: 16

11

где Ст -С ! Г^ ~ '"й условный СГ ДС, образованный в

/ ('

результате преобразования исходного РКС С (рис. I) в соответствии с состояниями (3) его кольцевых (мостиковых) рёбер// =

Полученные в результате выполнения этих аналитических операций условные СГ ДС С / Г =\С \ пРеД-

I ( :-!!'!)

ставлены на рис. 2.

Согласно гипотез (3) и структур условных СГ ДС G/r.={G/r —\=G (рис- 2), событие связности (4)

выразим в следующем виде:

Ц).1 —(W hi ' 4 " 4 "4' 4 h" in' 4/" hiXa' 4 "4'4'4 hr>" 4/ 4>. k* ■4 ■ 4 ■ 4 ■ 4 4'/ 4 f ■ ' 4 '4 ■ 4 ■ 4 ■ 4»' 4/ ■ A? -4-s' 4 ■ 4 * 4 ° 4

-'и '4;'4?i-ti '4'4'4 +f4 "V« 7 '4 '4+^4 '4я'4/'4;^'4+ ■Ц/4) "4; '4.4-9 "4 '4 '4 '4;'4'4 '4 +i4'4o'4i • 4'4-л "4 '4 "4+ +f"4 "4ij -1и1п)нЛ ■k+(K-lm-luln)H3 '/j+iWw + '■'4"4 '4/ '4"4 '4 ■ 4^ hi 4'

(5)

которое позволяет определить полную вероятность связности вершин и Д

В соответствии с равенством (5), полную вероятность связности вершин ц # анализируемой РКС G (рис, I) определим в следующем виде:

4 =С.А'Я»' Рп ■ Рп),, ■ Ч • 4 ■ ' 4 +l4 ■ Д ,' рп - Рп), , ■ % -4 • ф % + А ■ <?,,, ■ Д, ■ Я-■ Чч Мр./ Рш ■ Яп ■ Рп), q, +

мр9 ■ р„ ■ Рп ■ чг^-% -я„ ■ у- ■ ч, +fi% - «г, • Рп -■ % -# + ^Я, ■ А/'Яи'Рп), - ■ %'4 +(<%• Р,„ Р,гЯп.h-Pi -(А Я;,, ■ <7„ • Рп>. ■ %'4 ■ % +

Мр,■ я»■ Pi, ■ ■ я,■%+(,Pj рю-ч„■ я,■ L,■ %■ Яб-я-+(яя-я,о■ я,,■ p„,U■ %■ я\+

Щ ■ Яю Р„- Чп), „-рМ.Я,- Рт ■ Яг, ■ Я::), и' А +< Р/ Яш' Яп' Яп >, ,;' Ч,' ЧЬ +

МЧ Чш'Чи 'Яп), чУРу

(6)

Допустим, что p(lе ) и (}]_—) = р- Тогда равенство (6) примет вид:

Pul=p4-(1-q4 ) + 4-p3-q-(l-q4 ) + 3-р2-q2-(1-q3) +

-> 2 2 / t 2 \ 2 2 т 3 4

+2'P •q -(I-q)-\-p-q-p + 2-p-q -p + q - p.

(7)

Если принять, что £> = 0,9 (q = 0,1), то согласно формулы (7), Р01 =0,99870093 ■

Таким образом, организационно-техническое построение АСУ СН в виде РКС обеспечивает повышение связности их центров .

В качестве вывода необходимо отметить:

1. Предложенный метод может быть использован для анализа надежности функционирования РКС АСУ СН и является точным [7].

2. В анализируемой модели (рис. I) надежность связности управляющего центра с управляемыми центрами АСУ СН увеличилась на два порядка относительно надежности исходных элементов (радиальных и кольцевых соединений),

3. Трудоемкость предложенного метода относительно метода полного перебора состояний всех элементов анализируемой модели сократилась в у — 256/ 16 — 16 раз.

Содержание других инновационных технологий анализа качества функционирования АСУ СН можно найти в работах [I, 7, 8].

Литература

1. Носов /VI.в. Основные характеристики и показатели качества функционирования и модернизации систем оповещения населения. Академия гражданской защиты МЧС России. -Химки. 2014. - 99с.

2. Шубинский И.Ь. Функциональная надежность информационных систем. ООО «Журнал«Надежность», 2012. - 29S с.

3. Гадасин Д. В., Г адасин В .А. Надежность двухполюсных сетей с аддитивной структурой И Автоматика и телемеханика. -1999. - №10. - С. 164 179.

4. Филин 6.П. О предельном развязывании клакеров в оценках Полесского границ комбинаторной надежности случайных бинарных систем // Автоматика и телемеханика. - 2005, -№9. - С. 149-189.

5. Гэ£>и М, Джонсон Д, Вычислительные машины и трудно-решаемые задами. - М.: Мир. 1988. - 384 с.

6. Мур.Р., Шеннон К. Надежные схемы из ненадежных реле. Работы по теории информации и кибернетики. - М.: ИЛ. 1963. - С. 149-189.

7. Носов Д1.В. Комбинаторные методы анализа качества функционирования и модернизации систем оповещения населения. Академия гражданской защиты МЧС России. -2014. - 304 с.

8. Носов /VI.В. Анализ эффективности эксплуатации и живучести систем оповещения населения. Академия гражданской защиты МЧС России. - Химки. 2014. - 109 с.

QUALITY OF FUNCTIONING OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS SPECIAL PURPOSE AND TECHNOLOGY ITS ANALYSIS

Nosov M.V., Civil defence Academy Emercom of Russia, professor, Moscow region, city district Khimki,

nosov.1933@mail.ru

Abstract

The subject of this paper is the quality of the functioning of the automated control systems for special purposes (ACS SP) for analysis which identifies the main characteristics and performance. It is shown that one of the most important quality characteristics of functioning ACS SP is reliability.

The goal - to eliminate the complexity and the complexity of solving the problem of reliability analysis of functioning of structurally complex geographically dispersed ACS SP and offer engineering method to solve this problem, the basis of which the methodology of system analysis. As an example of this task is considered a model of ACS SP, is a radial-ring network comprising a source control center (CC) and peripheral (stock) control points (CP), which are interconnected by means of radial and circumferential (bridging) edges.

To analyze the reliability of communication with CC katabatic CP in complex structured ACS SP propose a method of bridging the complete decomposition of the compounds (MBCDC) modulo two (operable or inoperable bridging ribs). In the content of the article shows that in the decomposition of bridging connections modulo two, the original structurally complex ACS SP converted into a set of simple structures that are used to determine the conditional probability of connectivity CC with catabatic CP. Proposed MBCDC defines scientific and practical significance of this article. Scientific significance lies in the fact that for the first time performed a generalization of decomposition single bridge scheme proposed E.Moore and K.Shannon to analyze the reliability of the SP bonds in the ACS, the structure of which may be more than one bridged compound.

Formally, the generalization is expressed as a formula of total probability, the practical realization of the method are considered in the article content. Practical significance characterized by the possibility of application in practice MBCDC analysis of structurally complex ACS SP. In conclusion, the article shows that the considered radial-ring model ACS SP allows you to increase the reliability of connectivity CC with peripheral CP two orders of magnitude, relative to the model without ACS SP ring (bridge) connection.

Proposed MBCDC is precise and its application reduces the number of states in the analyzed 16 times with respect to the method of exhaustive search of all the states of the elements of the analyzed structure ACS SP recommended for use in engineering practice, analysis of reliable communication in complex-structured ACS SP.

Keywords: quality, system, management, reliability, function, probability, hypothesis, connectivity, model.

References

1. Nosov M.V. Main characteristics and indicators of quality of functioning and modernization of public notification. Civil defense academy Emercom of Russia. Khimki. 2014. 99 p. [in Russian]

2. Shubinsky I.B. Functional safety of information systems. LLC "Magazine" Reliability". 2012. 295p. [in Russian]

3. Gadasin D.V., Gadasin V.A. Reliability bipolar networks with additive structure // Automation and Telemechanic. 1999. №10. Pp.164-179. [in Russian]

4. Filin B.P. On the limit Clutter Untyings assessments Polesski boundaries of combinatorial reliability of random binary systems // Automation and Telemechanic. 2005. №9. Pp.149-189. [in Russian]

5. Gary M., Johnson, D. Computers and Intractability task. M.: Mir. 1988. 384 p. [in Russian]

6. Moore.R., Shannon K. Reliable circuits from unreliable relay. Work on information theory and cybernetics. M.: IL. 1963 Pp.149-189. [in Russian]

7. Nosov M.V. Combinatorial methods for the analysis of the quality of the operation and modernization of public notification. Civil defense academy Emercom of Russia. Khimki. 2014. 304p. [in Russian]

8. Nosov M.V. Analysis of operational efficiency and survivability systems alerting the public. Civil defense academy Emercom of Russia. Khimki. 2014. I09p. [in Russian]