CC BY
20
И. В. Гилев
модель противодействия разрушению информации при деструктивных электромагнитных воздействиях в системах радиосвязи специального назначения на основе нечетких экспертных систем
the model of countering destruction of information at destructive electromagnetic influences in special purpose radio communication systems based on fuzzy expert systems
Статья посвящена созданию модели нечеткой экспертной системы. Приведен экспертный опрос, позволяющий по уровню воздействующей помехи классифицировать состояние системы на предмет работоспособности. На основании проведенного опроса авторами предложена модель, использующая в своей работе нечеткие множества. На основе нечеткой экспертной системы предложен алгоритм реализации данной модели. Данный алгоритм может использоваться лицом, принимающим решения, для его автоматизации.
The article is devoted to the creation of a model of a fuzzy expert system. An expert survey is presented that allows classifying the state of the system for operability by the level of the impacting interference. Based on the survey, the authors proposed a model that uses fuzzy sets in its work. Based on a fuzzy expert system, an algorithm for implementing this model is proposed. This algorithm can be used by the decision maker to automate it.
Введение. Широкое применение радиоэлектронных средств в самых разнообразных областях жизни современного общества привело к развитию электромагнитного терроризма. Под электромагнитным терроризмом понимают оказание деструктивного электромагнитного воздействия на радиоэлектронные средства с целью их разрушения или нарушения работы [1—5]. За последние годы появляются как новые проявления электромагнитного терроризма, как, например, ослепление лазерными лучами пилотов самолетов, так и воздействие на аппаратуру с помощью разнообразных гене-
раторов помех (шума), что может привести к фатальным последствиям. Получило распространение воздействие на критическую инфраструктуру, в том числе на системы связи специального назначения, с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с установленными на них генераторами различного рода помех (импульсных, шумовых и др.). Такое оборудование, размещенное на БПЛА, управляемое дистанционно из удаленного от места совершения преступления места, воздействует с помощью электромагнитных излучений на оборудование систем связи специального назначения, например систему, функционирующую в соответствии со стандартом IEEE 802.16d, воздействие на которую будет рассмотрена далее. Этот факт может привести к затруднению оперативного управления силами и средствами, в связи с чем приобретает особую актуальность разработка методов и средств противодействия подобному деструктивному электромагнитному воздействию, а также соответствующих моделей противодействия. Далее в статье будет рассмотрена модель противодействия деструктивному электромагнитному воздействию, реализованная на основе аппарата нечетких экспертных систем.
Проведение экспертного опроса. Для определения параметров сигналов (мощностей) помех, при которых система может функционировать нормально, функционировать частично и не функционировать вовсе, воспользуемся методом экспертного опроса. Применительно к выбранным для рассмотрения системам связи, характерным уровнем является минимальная паспортная мощность сигнала, воспринимаемая приемником системы связи 4-го поколения -115 Дбм [6], при этом мощность помехи должна превосходить мощность полезного сигнала в 10 раз [7], т.е. мощность помехи, при которой система связи перестает выполнять свою целевую функцию, - 105 Дбм. На основании данных условий респондентам было предложено определить уровни мощностей помех для каждого состояния системы связи. К опросу привлекались действующие сотрудники ОВД, работающие в профильных технических подразделениях более 10 лет. Было опрошено 10 экспертов. Опрос осуществлялся путем анкетирования, где было предложено выбрать уровни помех для трех состояний системы. Результаты экспертного опроса приведены в табл. 1 [9—10].
Оценку опроса экспертов будем производить в программном продукте
STATISTICA.
Таблица 1
_Экспертные оценки_
Плохо Хорошо Нормально
Эксперт 1 -105 -116 -110
Эксперт 2 -100 -115 -115
Эксперт 3 -105 -118 -112
Эксперт 4 -102 -116 -110
Эксперт 5 -100 -120 -111
Эксперт 6 -102 -115 -108
Эксперт 7 -100 -120 -107
Эксперт 8 -105 -119 -107
Эксперт 9 -103 -116 -109
Эксперт 10 -101 -117 -107
Произведем обработку оценок, выставленных экспертами, с целью выявления согласования в их оценках. Для этого обычно применяется мера согласованности экспертных мнений — дисперсионный коэффициент конкордации (коэффициент согласия), равный:
™ = ^ (1)
итах
где D — оценка дисперсии, Dmax — максимальное значение оценки дисперсии. Коэффициент конкордации изменяется от 0 до 1, W=0 в случае полного расхождения между выставленными экспертами оценок, если W=1, то мнения экспертов полностью совпадают. Для нашего случая значение коэффициента конкордации вычислялось программно (рис.1).
Variable Friedman ANOVA and Kendall Coeff of Concordance (S ANOVA Chi Sqr. (N = 10, df = 2) = 19,53846 p = .00006 Coeff of Concordance = .97692 Aver rank r = ,97436
Average Rank Sum of Ranks Mean Std Dev.
Плохо 3,000000 30.00000 -102.300 2.110819
Хорошо 1.050000 10,50000 -117,200 1,932184
Норма 1.950000 19,50000 -109.600 2.590581
Рис. 1 Вычисление коэффициента конкордации и рангов модели
Вычисленный коэффициент конкордации W=0,9, что позволяет сделать вывод о высокой согласованности выставленных экспертами оценок. Из предложенных респондентами значений определим среднее для каждого уровня воздействия, которые в дальнейшем будут положены в оценку результатов воздействующих на систему деструктивных помех при помощи аппарата нечеткой логики.
Далее будут рассмотрены основные функциональные состояния системы радиосвязи СН при деструктивных электромагнитных воздействиях и меры по противодействию данным воздействиям.
Лингвистическая модель определения основных состояний системы радиосвязи и методов противодействия разрушению информации в них, основанная на нечетких экспертных системах. В качестве основного инструмента при прогнозировании состояния и мер противодействия при деструктивных электромагнитных воздействиях будем использовать нечеткие экспертные системы, поскольку задача прогнозирования состояния системы в условиях поражающих воздействий является сложной с математической точки зрения и требует учета всех возможных параметров системы и воздействий.
Для моделирования нечеткой экспертной системы будем использовать пакет Fuzzy Logic Toolboks программы Matlab. В качестве датчика, позволяющего оценить параметры воздействия, будем использовать физическое устройство типа анализатора спектра. Введем в рассмотрение значения лингвистических переменных для заполнения базы знаний
1. P — мощность помехи, P = {НОРМАЛЬНАЯ, СРЕДНЯЯ, КРИТИЧЕСКАЯ}, [-120,100], функции принадлежности термов имеют следующий вид (рис. 2):
120 -118 -116 -114 -112 -110 -108 -106 -104 -102 -100 _шеи! уапзЫс •Рулсг.Ьспсс'_
Рис 2. Функции принадлежности термов переменной «Мощность помехи»
Значения данных параметров выбраны исходя из средних значений, полученных с помощью экспертного опроса.
2. Б — функционирование системы, Б = {НОРМАЛЬНО, ЧАСТИЧНО, НЕФУНКЦИОНИРУЕТ}, [0,1], функции принадлежности термов имеют следующий вид (рис. 3):
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -и1 рц! уапаЫс Ъпк"-
Рис 3. Функции принадлежности термов переменной «Функционирование системы»
3. I — важность информации, I = {ПОВСЕДНЕВНАЯ, СРОЧНАЯ, ОПЕРАТИВНАЯ}, [0,1], функции принадлежности термов имеют следующий вид (рис. 4):
Рис 4. Функции принадлежности термов переменной «Важность информации»
4. R — наличие информации рангом выше, R = {ОТСУТСТВУЕТ, ПРИСУТСТВУЕТ}, [0,1], функции принадлежности термов имеют следующий вид (рис. 5):
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 input variable "Rang"
Рис 5. Функции принадлежности термов переменной «Ранг информации»
Далее зададим множество возможных мер противодействия деструктивным электромагнитным воздействиям [8].
М — меры противодействия, М = {ОБЫЧНЫЙ РЕЖИМ, ОЖИДАНИЕ, ОЧЕРЕДЬ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ MIMO, РЕЗЕРВНЫЙ КАНАЛ}, [0,1], функции принадлежности термов имеют следующий вид (рис. 6):
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 output varabte 'fmv'_
Рис 6. Функции принадлежности термов переменной «Меры противодействия»
Следующим шагом является создание базы правил, на основании которых будут выбираться определенные меры противодействия. Она будет выглядеть следующим образом:
1. If P = НОРМАЛЬНАЯ & F = НОРМАЛЬНО & I = ПОВСЕДНЕВНАЯ, then M = ОБЫЧНЫЙ РЕЖИМ;
2. If P = НОРМАЛЬНАЯ & F = НОРМАЛЬНО & I = СРОЧНАЯ, then M = ОБЫЧНЫЙ РЕЖИМ;
3. If P = НОРМАЛЬНАЯ & F = НОРМАЛЬНО & I = ОПЕРАТИВНАЯ, then M = ОБЫЧНЫЙ РЕЖИМ;
4. If P = СРЕДНЯЯ & F = ЧАСТИЧНО & I = ПОВСЕДНЕВНАЯ & R = ОТСУТСТВУЕТ, then M = ОЖИДАНИЕ;
5. If P = СРЕДНЯЯ & F = ЧАСТИЧНО & I = ПОВСЕДНЕВНАЯ & R = ПРИСУТСТВУЕТ, then M = ОЧЕРЕДЬ;
6. If P = СРЕДНЯЯ & F = ЧАСТИЧНО & I = СРОЧНАЯ & R = ОТСУТСТВУЕТ, then M = ИСПОЛЬЗОВАНИЕ MIMO;
7. If P = СРЕДНЯЯ & F = ЧАСТИЧНО & I = СРОЧНАЯ & R = ПРИСУТСТВУЕТ, then M = ОЧЕРЕДЬ;
8. If P = СРЕДНЯЯ & F = ЧАСТИЧНО & I = ОПЕРАТИВНАЯ, then M = ИСПОЛЬЗОВАНИЕ MIMO;
9. If P = КРИТИЧЕСКАЯ & F = НЕ ФУНКЦИОНИРУЕТ& I = ПОВСЕДНЕВНАЯ & R = ОТСУТСТВУЕТ, then M = РЕЗЕРВНЫЙ КАНАЛ;
10. If P = КРИТИЧЕСКАЯ & F = НЕ ФУНКЦИОНИРУЕТ& I = ПОВСЕДНЕВНАЯ & R = ПРИСУТСТВУЕТ, then M = ОЧЕРЕДЬ;
11. If P = КРИТИЧЕСКАЯ & F = НЕ ФУНКЦИОНИРУЕТ & I = СРОЧНАЯ & R = ОТСУТСТВУЕТ, then M = РЕЗЕРВНЫЙ КАНАЛ;
12. If P = КРИТИЧЕСКАЯ & F = НЕ ФУНКЦИОНИРУЕТ & I = СРОЧНАЯ & R = ПРИСУТСТВУЕТ, then M = ОЧЕРЕДЬ;
13. If P = КРИТИЧЕСКАЯ & F = НЕ ФУНКЦИОНИРУЕТ & I = ОПЕРАТИВНАЯ, then M = РЕЗЕРВНЫЙ КАНАЛ;
Вычисления производились по алгоритму Мамдани [12]:
1. Формирование базы правил.
2. Фазификация (нахождение соответствия между численным значением входной переменной и значением функции принадлежности соответствующего ей терма лингвистической переменной).
3. Агрегирование (определение степени истинности условий по каждому из правил):
4. Активизация (определение весовых коэффициентов правил), по умолчанию взяты =1.
5. Аккумуляция (нахождение функций принадлежности для каждой из выходных лингвистических переменных):
6. Дефазификация (переход от функций принадлежности выходной лингвистической переменной к её четкому значению).
Полученные зависимости приведены на рис. 7. Они могут быть применены в алгоритме, предложенном в следующем разделе.
Из данных зависимостей можно сделать вывод, что, например, при значении классификатора, равном -114 Дбм, значение лингвистической переменой «Мощность помехи» соответствует терму «СРЕДНЯЯ» и значении классификатора равном 0,7 значение лингвистической переменой «Оперативность информации» соответствует терму «ОПЕРАТИВНАЯ». По исходным заданным условиям активизируется правило 8, согласно которому результирующее значение выходной переменной «Меры» равно 0,7, что определяет значение лингвистической переменной «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ MIMO»
T^x), |в(х)) = min^x), |в(х)).
(2)
Vxe Х |AU B(x) = max{|A(x); |B(x)}.
(3)
Рис. 7. Зависимости мер противодействия от входных переменных
Реализация нечеткой экспертной системы в виде алгоритма. Предложенные нечеткие зависимости могут быть использованы в составе алгоритма, где принимаются решения в условиях неопределенности. Пример алгоритма приведен на рис. 8. В данном алгоритме предполагается использование на этапах 3, 4, 6, 9 полученных ранее нечетких зависимостей, с помощью которых лицо, принимающее решение, сможет правильно классифицировать помеху и выбрать необходимые для этого меры противодействия.
Лицо, принимающее решение, задавая параметры переменных, может ориентироваться на предложенные зависимости и получить поддержку при принятии управленческих решений, данный алгоритм может быть реализован программно, благодаря чему можно добиться автоматизации процесса принятия решения.
Нет
Рис. 8. Вариант реализации алгоритма
Вывод. Таким образом, в данной статье была рассмотрена тема противодействия деструктивным электромагнитным воздействиям при помощи нечетких экспертных си-
стем. Выбранный метод является актуальным в данной ситуации, поскольку математический аппарат, описывающий системы, очень сложен и часто вне рассмотрения может оказаться некоторое количество важных показателей. Был проведен экспертный опрос, в ходе которого были определены уровни воздействия, при которых система связи специального назначений находится в каждом из трех состояний. Полученные оценки были в дальнейшем использованы при построении модели противодействия на основе нечеткой логики. Данная модель позволяет определить меры противодействия деструктивным воздействиям при различных значениях входных параметров. На основании данной модели предложен алгоритм, который может быть реализован в виде программного продукта и осуществлять поддержку при принятии решений по применению мер противодействия в условиях действующих деструктивных помех.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фоминич Э. Н., Владимиров Д. Р. Электромагнитный терроризм. Новая угроза для информационно-управляющих систем // Военный инжинер. — 2016. — № 2. — С. 10—17.
2. Макаренко С. И. Информационное противоборство и радиоэлектронная борьба в сетецентрических войнах начала XXI века : монография. — СПб, 2017. — 546 с.
3. ГОСТ Р 52863-2007. Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям. — Введ. 2008-07-01. — М. : Стандартинформ, 2008. — 34 с.
4. ГОСТ Р 50922-2006. Защита информации. Основные термины и определения.
— Введ. 2008-07-01. — М. : Стандартинформ, 2008. — 8 с.
5. Хохлов Н. С. Моделирование и оптимизация противодействия разрушению информации в системах управления и связи органов внутренних дел при электромагнитных воздействиях : монография. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2005. — 181 с.
6. Базовая станция MicroMAXd: основные характеристики. — URL: http://winncom.ru/products/airspan-micromax (дата обращения: 10.02.2020).
7. Пименов П. Н. Метод оценки помехоустойчивости средств широкополосного радиодоступа к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов : дис. ... канд. техн. наук. — М., 2015. — 133 с.
8. Хохлов Н. С., Канавин С. В., Гилев И. В. Использование многосекторной антенной системы MIMO как элемента комплекса средств противодействия деструктивным электромагнитным воздействиям // Вестник Воронежского института МВД России.
— 2019. — № 4. — С. 126—136.
9. Gilev I., Kanavin S. Modeling the Destructive Effect of Interference on Mobile Networks, Using the 3G Standard as an Example, Using a Noise Generator // Bulletin of the Lipetsk State Technical University. 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). — Lipetsk, 2019. — P. 407—410. DOI: 10.1109/SUMMA48161.2019.8947533.
10. Gilev I., Piankov O., Terentev A. Mathematical Modeling of Multicriteria Conflicts of Analytical Activity in Situation Centers of the Internal Affairs Authorities // Bulletin
of Samara State Technical University. 2019. XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). — Samara, 2019. — P. 795—798. DOI: 10.1109/CSCMP45713.2019.8976766.
11. Хохлов Н. С., Канавин С. В., Рыбокитов А. Е. Методический подход к оценке рисков нарушения информационной безопасности в самоорганизующихся мобильных сетях на основе аппарата нечеткой логики // Вестник Воронежского института МВД России. — 2018. — № 4. — С. 84—92.
12. Яхъяева Г. Э. Нечеткие множества и нейронные сети : учебное пособие. — М. : Лаборатория знаний, 2018. — 316 с.
REFERENCES
1. Fominich E. N., Vladimirov D. R. Elektromagnitnyiy terrorizm. Novaya ugroza dlya informatsionno-upravlyayuschih sistem // Voennyiy inzhiner. — 2016. — # 2. — S. 10—17.
2. Makarenko S. I. Informatsionnoe protivoborstvo i radioelektronnaya borba v setet-sentricheskih voynah nachala XXI veka : monografiya. — SPb, 2017. — 546 s.
3. GOST R 52863-2007. Zaschita informatsii. Avtomatizirovannyie sistemyi v zaschischennom ispolnenii. Ispyitaniya na ustoychivost k prednamerennyim silovyim elektro-magnitnyim vozdeystviyam. — Vved. 2008-07-01. — M. : Standartinform, 2008. — 34 s.
4. GOST R 50922-2006. Zaschita informatsii. Osnovnyie terminyi i opredeleniya. — Vved. 2008-07-01. — M. : Standartinform, 2008. — 8 s.
5. Hohlov N. S. Modelirovanie i optimizatsiya protivodeystviya razrusheniyu informatsii v sistemah upravleniya i svyazi organov vnutrennih del pri elektromagnitnyih vozdeystviyah : monografiya. — Voronezh : Voronezhskiy institut MVD Rossii, 2005. — 181 s.
6. Bazovaya stantsiya MicroMAXd: osnovnyie harakteristiki. — URL: http://win-ncom.ru/products/airspan-micromax (data obrascheniya: 10.02.2020).
7. Pimenov P. N. Metod otsenki pomehoustoychivosti sredstv shirokopolosnogo radio-dostupa k vozdeystviyu sverhkorotkih elektromagnitnyih impulsov : dis. ... kand. tehn. nauk. — M., 2015. — 133 s.
8. Hohlov N. S., Kanavin S. V., Gilev I. V. Ispolzovanie mnogosektornoy antennoy sistemyi MIMO kak elementa kompleksa sredstv protivodeystviya destruktivnyim elektromag-nitnyim vozdeystviyam // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2019. — # 4. — S. 126—136.
9. Gilev I., Kanavin S. Modeling the Destructive Effect of Interference on Mobile Networks, Using the 3G Standard as an Example, Using a Noise Generator // Bulletin of the Lipetsk State Technical University. 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). — Lipetsk, 2019. — P. 407—410. DOI: 10.1109/SUMMA48161.2019.8947533.
10. Gilev I., Piankov O., Terentev A. Mathematical Modeling of Multicriteria Conflicts of Analytical Activity in Situation Centers of the Internal Affairs Authorities // Bulletin of Samara State Technical University. 2019. XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). — Samara, 2019. — P. 795—798. DOI: 10.1109/CSCMP45713.2019.8976766.
11. Hohlov N. S., Kanavin S. V., Ryibokitov A. E. Metodicheskiy podhod k otsenke riskov narusheniya informatsionnoy bezopasnosti v samoorganizuyuschihsya mobilnyih setyah
na osnove apparata nechetkoy logiki // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2018. — # 4. — S. 84—92.
12. Yah'yaeva G. E. Nechetkie mnozhestva i neyronnyie seti : uchebnoe posobie. — M. : Laboratoriya znaniy, 2018. — 316 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Гилев Игорь Владимирович. Адъюнкт. Воронежский институт МВД России. E-mail: gileviv@bk.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7 (473) 200-52-28.
Gilev Igor Vladimirovich. Post-graduate cadet. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: gileviv@bk.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7 (473) 200-52-28.
Ключевые слова: нечеткие экспертные системы; деструктивные электромагнитные воздействия; нечеткая логика; системы радиосвязи специального назначения.
Key words: fuzzy expert systems; destructive electromagnetic effects; fuzzy logic; special purpose radio communication systems.
УДК 004.056
ИЗДАНИЯ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА МВД РОССИИ
Техническое обеспечение защищенных систем связи : учебное пособие / О. И. Бокова [и др.] ; под редакцией доктора технических наук, профессора Н. С. Хохлова. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2019. — 180 с.
В учебном пособии рассматриваются принципы организации технического обеспечения инфокоммуникационных систем, а также вопросы проведения измерений и технической диагностики современных цифровых сетей связи. Отдельное внимание уделено вопросам защиты информации в системах связи и передачи данных.
Предназначено для специалистов по эксплуатации аналоговых и цифровых систем радиосвязи специального назначения, курсантов, слушателей и адъюнктов образовательных организаций МВД России.
