CC BY
187
В.А Дурденко, А.А. Рогожин
доктор технических наук, доцент,
Воронежский институт инновационных систем
КРИТЕРИАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ ОХРАНЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ
MODELLING OF CRITERION OF THE ESTIMATION OF QUALITY FUNCTIONING AND RELIABILITY OF THE INTEGRATED SYSTEMS OF SAFETY OF PROTECTED OBJECTS
Дано определение, описаны уникальные свойства, разработана обобщенная структурная схема интегрированной системы безопасности охраняемого объекта. Определен критерий оценки качества функционирования интегрированных систем безопасности охраняемых объектов. Предложены методы резервирования элементов интегрированных систем безопасности, направленные на повышение ее надежности и качества функционирования.
Definition and unique properties are formulated, and also the generalized block diagram of the integrated system of safety of protected object is developed. The criterion of an estimation of quality of functioning of the integrated systems of safety of protected objects is defined. Methods of reservation of elements of the integrated systems the safety directed on increase of its reliability and quality offunctioning are offered.
1. Постановка задачи
Традиционно подразделениями вневедомственной охраны (ПВО) при ОВД Российской Федерации защита объектов от криминальных и террористических угроз [1—5] осуществляется с помощью следующих технических систем охранной безопасности (СОБ): охранной и тревожной сигнализации (ОТС), пожарной сигнализации (ПС), охранного телевидения (СОТ), контроля и управления доступом (СКУД), работающих автономно или централизованно.
Каждая СОБ имеет ряд уникальных функций и в сочетании с требуемым уровнем инженерно-технической укрепленности [7] должна обеспечивать необходимый уровень защиты [2] объекта заданной категории.
Однако в настоящее время на территории Российской Федерации в области обеспечения противокриминальной и антитеррористической защиты объектов особой важности [7], с массовым пребыванием граждан [8], повышенной опасности [7], жизнеобеспечения [7] и других объектов, подлежащих обязательной охране подразделениями милиции вневедомственной охраны при ОВД РФ [6], все чаще используются интегрированные системы безопасности (ИСБ), объединяющие в себе потенциал традиционных СОБ.
Анализ предметной области показывает, что подразделения охраны испытывают определенные трудности в выборе, проектировании, внедрении и эксплуатации ИСБ на
объектах, ввиду отсутствия нормативно-правового поля. Такое положение свидетельствует о внедрении на объектах ненадежных ИСБ. Требуется определить критерий оценки качества функционирования ИСБ охраняемого объекта.
Для оценки качества функционирования ИСБ необходимо сначала сформулировать ее четкое и однозначное определение, уникальные свойства и разработать обобщенную структурную схему.
2. Формулировка определения ИСБ и их уникальные свойства
Согласно [7], интегрированная система безопасности объекта — система, объединяющая средства охраны и безопасности объекта на основе единого программноаппаратного комплекса с общей информационной средой и единой базой данных. Данное определение не в полной мере раскрывает понятие ИСБ и требует корректировки ввиду широкого применения и стремительного развития, поэтому вводим новое.
Интегрированная система безопасности объекта — это совокупность совместно действующих систем охранной безопасности, как правило, охранного телевидения (СОТ), охранно-пожарной сигнализации (ОПС), контроля и управления доступом (СКУД), управления жизнеобеспечением (СУЖ) и, возможно, других систем, обладающих технической, программной, информационной, электромагнитной и эксплуатационной совместимостью, работающих по единому алгоритму взаимодействия, имеющих общие каналы связи, программное обеспечение, базы данных и предназначенная для обеспечения противокриминальной и антитеррористической защиты объекта, в том числе в безоператорном режиме.
Современные ИСБ характеризуются не только большим числом элементов, но главным образом сложностью структуры. В связи с этим сложность современных ИСБ нужно рассматривать не как чисто количественное увеличение комплектующих систему элементов, а как новое качественное свойство, присущее только этим системам. То есть, ИСБ позволяют вывести качество охраны объектов на принципиально новый более надежный уровень, что обусловлено эмерджентностью ИСБ — приобретением новых свойств, отличных от свойств входящих в нее элементов (традиционных СОБ).
Таким образом, вывод: эмерджентность ИСБ характеризует появление нового качества охраны при агрегировании традиционных СОБ.
Согласно [4], качество — это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.
Согласно [4], свойство продукции — объективная особенность продукции, которая может проявляться при ее создании, эксплуатации или потреблении.
Сформулируем уникальные свойства ИСБ:
1) Единая система сбора, обработки и представления данных, мониторинга и управления всеми входящими системами, в том числе в безоператорном режиме.
2) Возможность разработки сценариев действий в ответ на различные события в системе.
3) Интегрируемость. Возможность интеграции любого оборудования и подсистем независимо от типа оборудования, его производителя, места размещения, технических характеристик и общей топологии системы.
4) Модульность и открытые интерфейсы. Система может быть легко расширена как за счет включения новых модулей, так и за счет интеграции системы с уже существующими компьютеризированными системами предприятия.
5) Масштабируемость — отсутствие ограничений на масштаб охраняемого объекта и возможность подключения любого количества автоматизированных рабочих мест.
6) Многоуровневая (иерархическая) структура.
3. Разработка обобщенной структурной схемы ИСБ
Для разработки структурной схемы ИСБ необходимо определить ее состав и функциональные связи между элементами. Из сформулированного определения следует, что в ИСБ входят традиционные системы охранной безопасности с известным составом и структурами. Поэтому обобщенная структурная схема ИСБ будет выглядеть, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ИСБ
Несмотря на простую, на первый взгляд, структуру, ИСБ обладает достаточно сложной многоуровневой (иерархической) структурой, обусловленной сложностью входящих в нее СОБ.
4. Определение критерия оценки качества функционирования ИСБ охра -няемого объекта через «призму» надежности
Согласно теории надежности, ИСБ, по праву, является сложной технической системой — совокупностью подсистем (элементов), объединенных функционально или конструктивно в соответствии с определенным алгоритмом взаимодействия при выполнении определенной задачи в процессе применения по назначению [13].
Надежность любой сложной технической системы (СТС) отражает ее свойство выполнять и сохранять во времени заданные функции в заданных режимах и условиях применения по назначению, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки [12].
Так как основными функциями ИСБ являются противокриминальная и антитер-рористическая защита объекта, то надежность ИСБ можно охарактеризовать, как способность с заданной вероятностью обнаруживать и противостоять несанкционированным действиям правонарушителя в рамках проектной угрозы (криминальной и/или террористической) в течение заданного времени или наработки.
Даже при абсолютной безотказности всех элементов ИСБ в процессе функционирования нельзя говорить о выполнении ею своей задачи как о достоверном событии, так как система может не выполнить на все 100 % поставленные задачи вследствие технического несовершенства самой системы, сложности отдельных задач, воздействия внешней среды и т.д. С другой стороны, в силу определенной избыточности, в структуре ИСБ даже появление отказов отдельных элементов или значительные изменения рабочих параметров могут привести не к полному выходу из строя, а лишь к некоторому ухудшению качества функционирования системы в целом.
Естественно, появляется необходимость по-новому оценивать многие, и в частности эксплуатационные и оперативные, характеристики ИСБ.
Отсюда вытекает необходимость установления нового критерия для оценки качества функционирования ИСБ. Таким критерием должен выступать показатель качества, характеризующий способность ИСБ выполнять свои функции в определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени.
Согласно [12], такой показатель качества определяется показателями надежности. Если пренебречь такими циклами эксплуатации ИСБ, как хранение, транспортировка, ремонт и техническое обслуживание, а использовать при исследовании только время применения по назначению, то однозначно видно, что количественной мерой оценки качества функционирования будет являться вероятность безотказной работы ИСБ. Таким образом, оценку качества функционирования ИСБ целесообразно рассмотреть через «призму» надежности.
Основная идея рассматриваемого метода оценки надежности ИСБ заключается в том, что оценка производится с учетом качества ее функционирования, качества выполнения задач, т. е. по выходному эффекту. Введение такой оценки очень удобно, так как позволяет сравнивать функционирование ИСБ, различных по структуре, принципу действия, комплектующим элементам и т. п., если они предназначены для выполнения одной и той же задачи — обеспечить надежную и эффективную защиту объекта от криминальных и террористических угроз. Это позволит изыскивать пути оптимального построения ИСБ на объектах и производить их рациональный выбор.
5. Определение способов повышения надежности ИСБ путем резервирования ее элементов
При эксплуатации ИСБ эффективность и надежность аппаратуры ИСБ оценивается для определения соответствия между требованиями к надежности и качеству, которые предъявлены заказчиком, и требованиями и действительной надежностью, а также для того, чтобы принять решение о повышении надежности эксплуатируемой аппаратуры, выбрав для этой цели соответствующую форму улучшения качества [9].
Увеличение надежности происходит путем доработок. Скорость увеличения надежности постепенно убывает со временем. Момент прекращения доработок в аппаратуре определяется по стоимостным характеристикам. Если стоимость доработок соизмерима со стоимостью всей аппаратуры, то целесообразнее предусмотреть резервирование данной системы охраны. Обычно стоимость доработок составляет 5—15% стоимости всей системы, а выигрыш в надежности может составлять до 100% и более.
Таким образом, резервирование является способом повышения надежности путем включения резерва, предусмотренного при разработке аппаратуры или в процессе ее эксплуатации. Это один из эффективных методов повышения надежности, позволяющий создавать ИСБ, надежность которых может быть выше надежности входящих в них элементов. С этой точки зрения можно говорить о построении надежных систем из ненадежных элементов.
Любой метод резервирования основан на принципе избыточности. Это означает, что наряду с основными единицами (системами охраны, шлейфами сигнализации, из-вещателями, видеокамерами, контроллерами и т.д.), выполняющими предназначенную функцию, должны быть предусмотрены резервные единицы, которые не являются функционально необходимыми, а предназначены лишь для замены соответствующих основных единиц в случае их отказа.
Резервированные системы отличаются, в первую очередь, способом включения резерва. С этой точки зрения различают:
- резервирование замещением;
- постоянное резервирование .
Указанные способы резервирования могут быть осуществлены путем применения методов:
- общего соединения резервных элементов (рис. 2);
- раздельного соединения резервных элементов (рис. 3);
- смешанного соединения резервных элементов.
Общее резервирование состоит в резервировании всей системы в целом.
Раздельное резервирование состоит в резервировании системы по отдельным участкам. Систему с общим резервированием замещением можно считать частным случаем системы с раздельным резервированием, имеющей один участок резервирования. Раздельное резервирование может быть осуществлено как в виде резервирования сравнительно крупных участков системы, так и путем резервирования отдельных ее элементов.
При смешанном резервировании в системе резервируются как отдельные «ненадежные» шлейфы сигнализации, линии связи, так и отдельные технические средства.
Надежность систем с резервированием определяется числом резервных элементов т, приходящихся на один рабочий элемент. Это число называют кратностью резервирования. Высокая кратность резервирования позволяет получить требуемую надежность ИСБ, но приводит к ее усложнению и повышению стоимости.
Перейдем к количественной оценке обоих способов резервирования. Оценку бу-дем производить по вероятности безотказной работы.
Система с общим резервированием (рис. 2) будет нормально функционировать при сохранении работоспособности хотя бы одной из цепей. Вероятность отказа такой системы без учета надежности переключающих устройств определяется на основе теоремы умножения вероятностей отказа отдельных цепей [10]:
т + 1
о .. =П о. ■ (!)
.=1
где Qi — вероятность отказа отдельных цепей (извещателей, шлейфов сигнализации, приемно-контрольных приборов; видеокамер и видеосерверов; считывателей, электрозамков и контроллеров доступа и т.д.; далее цепей); т — кратность резервирования.
Рис. 3. Схема раздельного резервирования Вероятность безотказной работы системы с общим резервированием:
т +1
Роб = 1 -Ооб = 1 -П(1 -Р ), (2)
. =1
где Рi — вероятность безотказной работы ьй цепи.
Безотказная работа 1-й цепи будет иметь место при безотказной работе каждого из п элементов. Поэтому вероятность безотказной работы цепи
Р = ПР. (3)
1 =1
где Ру — вероятность безотказной работы ]-го элемента 1-й цепи; п — число последовательно соединенных элементов цепи.
Подставляя значение Р1 из (3) в (2). находим:
т+1 п
р< =1 -П (1 -П Р). <4>
,=1 1=1
Для системы с раздельным резервированием (рис. 3) по формуле (2) могут быть определены вероятности безотказной работы отдельных элементов с резервированием.
Тогда общая вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием на основе теоремы умножения вероятностей
т +1
Р*» =П
1=1
1 -Ш1 - Рц)
, =1
(5)
Для случая. когда все элементы одинаковы по надежности и каждый узел системы с общим резервированием состоит из п последовательно включенных элементов. вероятность безотказной работы системы с общим резервированием
Роб = 1 - (1 - РП )т+1. (6)
где р — вероятность безотказной работы элемента системы.
Для системы с раздельным резервированием в этом случае получим
Р=1 -(1 - Р )т+' ]П. (7)
Задаваясь конкретными значениями р,т и п. можно сравнить надежности системы при общем и раздельном резервировании.
Преимущество раздельного резервирования резко возрастает с увеличением числа резервируемых элементов п и кратности резервирования т.
Вероятность отказа ИСБ с т-кратным общим нагруженным резервом может быть найдена из выражения
То = И1 -1 - Р" О)^1}* . (8)
0
В случае экспоненциального закона получим
Т„ = П1 -1 - « ~Л')т+‘ \><. (9)
0
где Л = п1 = —--------интенсивность отказов цепи.
То
Запишем уравнение (9) для Т0 т-1 и составим разность Т0т - Т0т-1. Эта разность
может быть представлена в виде одного интеграла. В результате интегрирования после несложных преобразований получим
Т0 т - Т 0т -1 = , 1 1Ч . (10)
Л(т +1)
Подставляя в это уравнение последовательно т = 1.2. 3. .... получаем
Т0 т = АпТ, = ^ (11)
Л
, 1 1 1 1 где Ат = 1 + -+- + ... +------- .
т 2 3 т +1
Значения коэффициента Ат приведены в таблице.
Значения коффициента Ат
т 1 2 3 4 5
А п„т 1,5 1,83 2,00 2,28 2,45
Так как каждый следующий резервный элемент при ненагруженном резерве начинает работать только после отказа предыдущего, то наработка системы в целом будет представлять собой сумму наработок основного элемента и всех резервных цепей:
т +1
Т0т = ХТ0, , (12)
¿ = 1
где Тел — наработка на отказ 1-й цепи.
Когда все резервные цепи одинаковы, наработка системы
т +1
Т0 т = ( т + 1)Т 0 = — , (13)
Л
где То — наработка на отказ одной цепи.
Из выражений (11) и (13) следует, что выигрыш в наработке на отказ при ненагруженном резерве значительно выше, чем при нагруженном.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 52551-2006. Системы охраны и безопасности. Термины и определения.
2. ГОСТ Р 50776-95. Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования. Раздел 4. Руководство по монтажу, проектированию и техническому обслуживанию.
3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
4. ГОСТ 15467-79 (СТ СЭВ 3519-81). Управление качеством продукции. Основные понятия термины и определения.
5. ГОСТ 4.188-85. Система показателей качества продукции. Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Номенклатура показателей (последнее издание от 01.05.2005).
6. Распоряжение Правительства РФ от 02.11.2009 N 1629-р (ред. от 15.02.2011) «О перечне объектов, подлежащих обязательной охране подразделениями милиции вневедомственной охраны при органах внутренних дел Российской Федерации».
7. Приказ МВД России от 16.11.2006 г. N° 937 «Об утверждении Инструкции по организации технической эксплуатации технических средств охраны на объектах, охраняемых подразделениями милиции вневедомственной ОВД РФ».
8. Методические рекомендации руководителям предприятий и учреждений по антитеррористической защищенности критически важных объектов и мест с массовым пребыванием граждан, расположенных на территории Пермского края. Утверждены на заседании антитеррористической комиссии в Пермском крае от 21 июня 2011 г. протокол № 5. — 38 с.
9. Широков А. М. Надежность радиоэлектронных устройств. — М.: Высшая школа, 1972. — 272 с.
10. Шишонок Н.А., Репкин В.Ф., Барвинский Л.Л. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники. — М. : Советское радио, 1964 . — 550 с.
11. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем: учеб. пособие для вузов. — М.: Дро фа, 2008. — 239 с.
12. Надежность технических систем: учебное пособие для вузов технических специальностей / под общ. ред. Е. В. Сугака и Н. В. Василенко. — Красноярск: НИИ СУВПТ, 2001. — 608 с.
13. Червонный А.А., Лукьященко В.И., Котин Л.В. Надежность сложных систем: изд. 2-е перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1976. — 288 с.
