МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ И ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ МОРСКОЙ РАДИОСВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В. И. Талагаев

Кандидат технических наук, доцент, профессор АВН, ПАО «Интелтех»

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД

К АНАЛИЗУ И ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ МОРСКОЙ РАДИОСВЯЗИ

АННОТАЦИЯ. В работе отражены взгляды на разработку аппарата анализа и способов обеспечения устойчивости систем морской радиосвязи в условиях преднамеренных помех, спонтанных отказов технических средств, стихийного, или организованного разрушения береговых объектов связи. Выбраны обобщенные показатели и критерий количественной оценки устойчивости систем с учетом их помехозащищенности, живучести и надежности. Предложенный методологический подход может найти практическое применение при проведении исследований функциональных способностей систем морской радиосвязи, планировании и оперативном управлении связью, а также при создании информационно-аналитических средств поддержки принятия проектных и управленческих решений.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Система морской радиосвязи, мобильные морские объекты, устойчивость системы радиосвязи, живучесть объектов радиосвязи, помехоустойчивость радиоканалов системы, надежность радиоэлектронных средств, показатель и критерий устойчивости системы радиосвязи к деструктивным и дестабилизирующим воздействиям.

В системах управления морскими объектами гражданского и военного назначения основным средством обмена управляющей информацией остается радиосвязь, позволяющая создать разветвленную сеть стационарных береговых центров управления и связи с мобильными пространственно рассредоточенными надводными и подводными объектами, и летательными аппаратами. Вместе с тем из всех видов связи радиосвязь наиболее подвержена воздействию естественных и преднамеренных помех на радиоканалы (РК), разрушительным стихийным и преднамеренным воздействиям на береговые объекты связи, и отказам радиоэлектронных компонентов.

Перечисленные факторы, действуя совместно или раздельно, могут приводить к снижению качества функционирования систем радиосвязи (СРС) и, как следствие, к ухудшению управления морскими объектами. Поэтому одной из важных проблем при создании морских СРС становится обеспечение стабильности, устойчивости их качественных характеристик в условиях разного рода внешних и внутренних деструктивных и дестабилизирующих факторов.

Отдельные аспекты устойчивости морских СРС нашли отражение в работах, посвященных вопросам обеспечения их живучести, надежно-

сти и помехозащищенности (помехоустойчивости) /1—7/. Сложность исследования и создания морских СРС, устойчивых к комплексному воздействию дестабилизирующих факторов, обусловлена в значительной степени отсутствием единой методологии анализа их устойчивости, включающей вопросы анализа качества и способностей СРС с заданной структурой и параметрами, и синтеза структуры и параметров систем с заданными свойствами: устойчивостью, живучестью и надежностью.

В лингвистической формулировке /5, 8/ устойчивость — это способность технической системы сохранять свои функции (т. е. функции, которые и определяют данную систему как единое целое) при воздействии сильных возмущающих факторов. В морских СРС возмущения могут возникать спонтанно (отказы технических средств) и в результате разрушений береговых объектов связи природного характера, или преднамеренного воздействия со стороны других противоборствующих систем, а также воздействия естественных и преднамеренных помех на РК системы.

Основной целевой функцией СРС является обеспечение обмена управляющей информацией береговых объектов связи с морскими объектами с требуемым качеством (достоверностью

и оперативностью). В соответствии с этим устойчивость СРС может быть определена как способность поддерживать требуемое при управлении объектами качество обмена информацией при случайном выходе их строя ненадежных радиосредств, преднамеренном помеховом воздействии на РК и поражении береговых объектов системы.

С формальной, математической точки зрения такая способность формулируется следующим образом: техническая система при ограниченных воздействиях устойчива, если ее реакция на эти воздействия так же ограничена. Применительно к морским СРС это означает, что система может обеспечить требуемое качество информационного обмена Ктр только при ограниченных поражениях сооружений связи, подавления РК помехами и отказах ненадежных радиоэлектронных компонентов системы -0возд. Воздействия приводят к снижению качества информационного обмена Кфунк на величину

л^ равную

ЛКвозд = ЛКразр + ЛКрэп + ЛКнад,

где ЛКразр, ЛКПОмех и ЛКнадеж - снижение качества информационного обмена вследствие стихийного, или преднамеренного разрушения береговых сооружений связи, подавления РК помехами и отказов ненадежных элементов системы соответственно.

При увеличении степени поражения элементов СРС выше некоторой величины Dуст (границы устойчивости) и соответствующем снижения качества функционирования на величину ЛКвозд система деградирует, т. е. качество информационного обмена Кфунк ухудшается и перестает удовлетворять требуемому Ктр для эффективного управления объектами. Условие устойчивости СРС определяется неравенствами:

[*ФУнк -д^возд ^ тр -система устойчива, I КФунк - АКвозд < Ктр -система не устойчива.

(1)

словами: степень защиты должна быть не ниже степени воздействия D^ < D^^.);

— компенсировать разрушения береговых объектов и РК помехами с целью поддержания требуемого качества информационного обмена Кр, или максимально возможного max (Кфунк — АКвозд) при неограниченном воздействии

■^возд > ^ст;

— локализовать отказы ненадежных технических средств, т. е. обнаруживать и устранять последствия отказов ранее, чем под их влиянием на качество информационного обмена Кфунк становится ниже требуемого Кр-

— обеспечивать постепенное снижение качества информационного обмена в системе при прогрессирующем (не ограниченном D^^- > D^) поражении и отказах электронных компонентов с целью их своевременной компенсации.

Как следует из (1) придание СРС свойства устойчивости, т. е. защищенности и способности компенсации и локализации поражений и отказов элементов, возможно за счет введения в нее различных видов избыточности (структурной, функциональной и технической) относительно минимально необходимого ее состава, обеспечивающего требуемое качество информационного обмена Кр при отсутствии воздействий (Кфунк = Кр), или относительно снижения качества функционирования за счет воздействия АКвозд. Величина повышения качества информационного обмена за счет внесения избыточности относительно Ктр или АКвозд равна соответственно:

К' = К — К

изб

функ

Чр 1

К" = К — А К

изб Функ возд •

(2)

В соответствии с существующими лингвистическими и формальными определениями СРС, работающая в реальном времени и обладающая свойством устойчивости должна быть способна:

— противостоять определенному (до Dуст) поражению объектов связи и подавлению РК помехами, т. е. быть защищена адекватно (или выше) степени возможного воздействия (иными

Для иллюстрации влияния избыточности Кизб и Ки'зб , вносимой в систему, на ее устойчивость на рисунке 1 приведены кривые, характеризующие качество функционирования Кфунк в системе без избыточности (Кизб = 0) рисунок 1а и в избыточной (Кизб > 0) системе рисунок 1б от степени воздействия (поражения и отказов компонентов системы) DвОзд.

Как следует из рисунка 1 устойчивость (зона устойчивости DвОзд < Dуст) системы определяется величиной вносимой избыточности и требованиями к качеству информационного обмена. При этом устойчивость тем выше, чем больше величина вносимой избыточности и ниже требования к качеству функционирования, и чем

а)

1,0 0,75

0,5 0,25

^ Кфунк

* ^тр

Зона \ !

деграда- \ 1

ции качес- \ '

тва функци- г

оннрования 1

СРС

^фу нк ^ ^ тр 1

1- -►

б)

К/т

0,5

фу ПК

Зона устойчивого фун кэширования СРС

КфуНК>А тр

0,25

К,

тр

ЗОНЯ деградации качества функционирования СРС

^СПр

Рис. 1

1 2 3 4 5 6 Овт0

медленнее ухудшается качество при увеличении степени воздействия. В соответствии с этим количественной характеристикой устойчивости системы с учетом (1) и (2) могут служить показатели:

К'

V" =

изб

изб

АК,

возд

К' '

V' = изб ° уст _ К ' К тр

а их сопоставление с некоторым требуемым для эффективного управления объектами значением устойчивости £усх ^р — критерием устойчивости системы связи £уст > £усх ^р. Вносимая в систему избыточность приводит к удорожанию системы, поэтому величина избыточности должна быть адекватной (соответствовать) степени прогнозируемого воздействия и требованиям к качеству информационного обмена, т. е. К^зб = АКвозд. С учетом этого критерий устойчивости системы (1) упрощается и приобретает вид £уст = 1.

Если учесть, что локализация, восстановление и введение резерва связи осуществляется с течением времени и степень воздействия так же может изменяться во времени, можно перейти от точечной оценки устойчивости к динамической, характеризующей изменение показателя устойчивости во времени.

Структурная, функциональная и техническая избыточность может вноситься в систему в виде соответствующей организации структуры и алгоритмов ее функционирования, т. е. путем использования пассивных и активных организационно — технических мероприятий обеспечения живучести, помехозащищенности и на-

дежности /1—9/. Пассивные меры основаны на выборе и применении структуры системы и элементов с защищенностью, превышающей необходимую при отсутствии воздействий и соответствующей степени возможного поражения. Эти меры могут быть реализованы путем:

— затруднения (вплоть до исключения) обнаружения всеми видами разведки работы береговых и морских объектов системы и возможности организации дестабилизирующих воздействий, в частности, путем использования мобильных подсистем и объектов;

— повышение до уровня возможного поражающего воздействия защиты стационарных береговых объектов связи от поражающих факторов;

— структурного и функционального резервирования системы и ее элементов, т. е. создания основной и резервной подсистем связи, а также использования систем связи других ведомств;

— дублирование РК, использование в системе многофункциональных комплексов связи различных диапазонов и радиосредств повышенной помехозащищенности (до уровня возможного воздействия), оптимального выбора и использования частотного ресурса, и пространственно и частотно разнесенных передач и приема информации;

— функционального резервирования ненадежных технических средств и их элементов.

Активные меры обеспечения устойчивости основываются на активном воздействии на структуру со стороны системы управления связью, т. е. связаны с возможностями перестройки избыточной структуры системы, изменение алгоритмов ее функционирования и режимов

работы ее связного ресурса, диагностикой и восстановлением отказавших элементов в процессе поражений и отказов с целью их компенсации и локализации. Активные меры могут реализовываться в системе за счет оптимизации управления системой и ее элементов с целью ее адаптации к воздействиям, т. е. перевода системы из одного устойчивого состояния в другое. Таким образом, необходимая устойчивость достигается применением пассивных и активных мероприятий, направленных на повышение защищенности системы связи и ее элементов от всех видов воздействий и варьированием (целенаправленным изменением) избыточной структурой при состоявшихся поражении и отказах ее элементов.

Отличительной особенностью современных методов исследования, проектирования сложных адаптивных систем и оперативного управления ими является автоматизация этих процессов на основе использования ЭВМ, требующая специального программного и информационного обеспечения. Речь, таким образом, идет о предоставлении исследователям, проектировщикам и операторам связи набора программных средств, позволяющих адаптировать разрабатываемые и существующую СРС к внешним воздействиям, т. е. выбирать оптимальные с точки зрения устойчивости структуры систем с учетом влияния средств поме-хового воздействия, разрушений береговых объектов связи и снижения надежности технических средств.

Такая адаптация СРС с целью обеспечения устойчивости достигается путем изменения ее внутреннего состояния адекватно разрушительным воздействиям на береговые объекты связи, средств создания помех РК и техническому состоянию радиосредств. Практически изменение внутреннего состояния сводится к изменению структуры системы и ее параметров, т. е. к перераспределению потоков сообщений и связных ресурсов, к которым относятся основные и резервные средства связи и режимы их работы. При этом рекомендации по изменению структуры исследователю, проектирующему перспективную систему, и должностному лицу связи (оператору), управляющему действующей системой, могут быть выработаны в результате программного (на ЭВМ) решения двух задач /11/:

— расчетной задачи анализа (определения и сравнения с требуемой) устойчивости системы

с заданными параметрами при текущих (заданных) внешних воздействиях;

— расчетно—логической задачи выбора перспективного варианта структуры и параметров системы, обеспечивающего максимальную (оптимальную) устойчивость с учетом текущих (заданных) и прогнозируемых (задаваемых моделями) внешних воздействий.

Решение первой задачи заключается в оценке устойчивости (в данном состоянии) структуры системы с учетом матриц текущего поражения объектов связи и радиоканалов оружием и помехами и выхода из строя технически ненадежных средств и сравнении ее значения с предельно допустимыми (требуемыми). Эта оценка является комплексной и проводится на основе расчета надежности технических средств, помехозащищенности радиоканалов и живучести объектов, составляющих систему. При снижении устойчивости ниже требуемого уровня исследователем или оператором связи должно приниматься решение об изменении структуры и переводе СРС в новое перспективное состояние. Определение необходимой структуры, при которой обеспечивается максимальная (оптимальная) устойчивость — вторая расчетно-ло-гическая задача, решаемая с учетом не только текущих, но и прогнозируемых внешних воздействий. В общем виде задача относится к классу экстремально поисковых и может быть решена методами математического программирования /16/.

Поскольку СРС является сложной динамической системой, полная формализация процессов, происходящих в ней, и их строгий анализ вызывают значительные трудности, то для решения расчетной и расчетно — логической задач на этапе исследований и оперативного управления СРС целесообразно использовать экспертные и информационно-аналитическую системы /9/. Экспертная система в данном случае — это совокупность программных средств, обеспечивающих проведение анализа устойчивости и выдачу рекомендаций по выбору оптимальной структуры СРС в условиях текущего и прогнозируемого внешних воздействий. Такой анализ и рекомендации основаны на опыте экспертов, способных сделать оценки устойчивости и выдвинуть вполне надежные предложения по оптимизации структуры при неполной информации об СРС, внешнем воздействии на нее и условиях ее функционирования и при отсут-

ствии формальных средств их описания. Несмотря на субъективный характер, знания экспертов имеют общую ценность, поскольку содержат все, что хотя бы частично осознано, но еще не сформулировано в строгой форме.

Информационно-аналитическая система представляет собой совокупность программных средств, позволяющих исследователю или оператору связи решать задачи анализа и оптимизации по их постановке и описанию в терминах радиосвязи не пользуясь услугами профессиональных программистов. Для такой системы характерно наличие модели СРС, моделей внешних воздействий и условий функционирования и программы — планировщика вычислений. Использование информационно-аналитических системы делает доступной для исследователя и оператора связи реализацию прикладных математических методов расчета на ЭВМ в целях анализа устойчивости и выбора наилучшей структуры СРС в процессе ее разработки и функционирования, т. е. изменения интенсивности потоков, характера внешних воздействий и оперативно — тактической ситуации.

Для решения расчетной и расчетно-логиче-ской задач необходимо располагать изменяющимися данными о состоянии СРС, т. е. о подавлении РК системы преднамеренными помехами,

разрушении объектов связи и оборудования, техническом состоянии радиосредств. Для решения второй задачи, кроме того, необходимо располагать постоянной информацией, т. е. моделями потенциально возможного разрушения береговых объектов связи, помехового воздействия на РК СРС и др. Требования к исходным данным для решения задач адаптации СРС, необходимым при проведении исследований и оперативном управлении системой, различаются. При исследованиях важна полнота учета возможных оперативно — тактических ситуаций и адекватность расчетно-логических моделей реальным условиям функционирования СРС, а при управлении действующей СРС — оперативность (быстрота) принятия решения по изменению структуры системы. Поэтому при проведении исследований и проектировании СРС данные о внешних воздействиях могут быть получены с помощью их имитаторов, а при оперативном управлении — датчиков состояния технических средств, объектов и каналов связи. Эти сведения могут храниться в единой базе данных, служащей основой информационного обеспечения решения расчетной и рассчетно-логической задач.

Характер внешних воздействий определяется внешней обстановкой в которой находятся объекты, поэтому при решении обеих задач адаптации

Рис. 1

ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ. № 3 (143). 2018

СРС к условиям функционирс учитывать оперативно—тактип^^г^ ьш^ацти (состав, пространственное расположения и действия морских объектов и противоборствующей стороны). При проведении исследований и проектировании СРС оперативно — тактическая ситуация может быть задана в виде набора сценариев действий морских объектов и храниться в единой базе данных, а в действующую СРС может водиться извне в ее информационно-аналитическую систему от системы освещения оперативно — тактической обстановки.

Укрупненная структура программных средств анализа и обеспечения устойчивости СРС приведена на рисунке 2.

Структура включает совокупность программных информационно-аналитических средства численной оценки разнородных свойств СРС на моделях и базу данных о текущем и прогнозируемом СРС, необходимых при выборе структуры системы и ее параметров и принятии решений

ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ, № 3 (143), 2018

ьн^пьппл \_.v_' унитп ии^ I п о уичиоплл опьшпил

и внутренних деструктивных и дестабилизирующих факторов.

Для примера отдельные программные модули анализа свойств и выбора параметров структуры и режимов функционирования СРС в условиях различных видов воздействий приведены в/10-15/.

Предложенные методологический подход к анализу устойчивости СРС с мобильными морскими объектами в условиях разнородных деструктивных воздействий, и состав программных информационно-аналитических средств, позволяющих производить обобщенную оценку устойчивости СРС и вырабатывать рекомендации по выбору ее наилучшей структуры, могут быть использованы при проведении исследований, проектировании системы, планировании связи и оперативном управлении системой в реальных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

!. Защита от радиопомех. Под ред. М. В. Максимова. — М.: Сон. радио, 1976.

2. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978,

3. Крапивин В. Ф. О теории живучести сложных систем. — М.: Наука, 1978.

4. Чумаков Н. М., Серебряный Е. И. Оценка эффективности сложных технических устройств. — М.: Советское радио, 1980.

5. Надежность и живучесть систем связи. По ред. Б. Я. Дудника. — М.: Радио и связь, 1984.

6. Березюк Н. Т., Галун ин А. Я., Подлееный Н. И. Живучесть микропроцессорных систем управления. — Киев: Техника, 1989.

7. Снгорский В. П. Математический аппарат инженера, — Киев,: Техника, 1977.

8. Талагаев В. И. Устойчивость системы морской радиосвязи». Указатель поступлений информационных материалов, ЦИВТИ МО СССР, вып. 6(33), 1991.

9. Талагаев В. И. «Методологический подход К оценке свойств системы связи ВМФ». Сборник рефератов депонированных рукописей, ЦСИФ МО РФ, серия Б, вып. 42, 1977.

10. Талагаев В. И., Лебедев Д. В. «Выбор безопасных рабочих частот для ДКМ каналов СВЯЗИ в условиях радиоразведки и радиоэлектронного подавления». Доклад на научно-технической конференции «Теоретические основы применения ВМФ в сете центрических войнах». Тематический научно-техническийсборникФГУП «24 ЦНИИ МО», Санкт-Петербург, 2011.

! 1. Талагаев В. И,, Тал а гае ва Ю. В. Интеллектуальные телекоммуникационные системы. Доклад на научно-технической конференции «Интегрированные автоматизированные системы управления», Реферативный журнал, ВИНИТИ РАН,№ II, Москва, 2011. (Сборник докладов, ФН ЦП ОАО «НПО «Марс», г.Ульяновск, 15—17 марта 2011 г.).

12. Талагаев В. И., Лебедев Д. В. Программа выбора рабочих частот связи в ДКМ диапазоне v. 1.0». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614529, ФГУ ФИПС, Москва, 201 I.

13. Гавр плен ко С. А., Талагаев В. И., Лебедев Д. В.

Программа оценки помехозащищенности направлений связи с морскими объектами v. 1.0. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614725, ФГУ ФИПС, Москва 2013,

14. Талагаев В. И. Обобщенная модель для анализа потенциальных возможностей радиоразведки //Техника средств связи. 2018, № I. С. 288-291.

15. Талагаев В. И., Лебедев Д. В. Обобщенная модель для анализа потенциальных возможностей радиоразведки. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611242, ФГУ ФИПС, Москва, 2013,

16. Евтушенко Ю. Т. Методы решения экстре-мачьных задач и их применении в ситуациях. М.: Наука, 1982.