CC BY
15
УДК 004.8:004.052.3
В. И. ПОТАПОВ И. В. ПОТАПОВ
Омский государственный технический университет
О СРЕДНЕЙ ГОТОВНОСТИ НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ С ДУБЛИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ_
Для нейрокомпьютерной системы с дублированной структурой искусственных нейронных сетей при периодическом контроле их работоспособности и восстановлении функциональных свойств после отказов получено аналитическое выражение, позволяющее вычислить требуемый период контроля для обеспечения заданной средней готовности нейрокомпьютерной системы
В работе [1] рассмотрен принцип построения отказоустойчивой нейрокомпьютерной системы (ОНКС) на базе двух параллельно работающих функционально устойчивых логически стабильных искусственных нейронных сетей (ИНС), выходы которых соединены с устройством непрерывного контроля их работы (по принципу "согласования-рассогласования" значений сигналов на выходе), по сигналам которого при обнаружении отказа в одной из ИНС выходы обеих сетей отключаются, рабочий режим ОНКС прерывается и включается система адаптации, обеспечивающая логическую перестройку одновременно обоих нейронных сетей в диапазоне их функциональной устойчивости, для восстановления работоспособности нейрокомпьютерной системы. При этом полагалось, что вероятность появления отказа одновременно в обоих сетях, приводящего к искажению реализуемых ими функций на одном и том же наборе входных переменных, пренебрежимо мала, а устройство контроля и адаптации абсолютно надежно, то есть вероятность его отказа равна нулю.
В течение процедуры адаптации процесс решения и выдача результатов, решаемой ОНКС задачи, прекращается и возобновляется только после восстановления функциональных свойств отказавшей ИНС. Это, естественно, ограничивает область применения подобных нейрокомпьютерных систем техническими системами, в которых допускается "потеря" одного или нескольких решений подряд без ущерба в целом для решаемой задачи, например, в некоторых системах управления, или допускается повторное решение задачи, обесцененной отказом ИНС, при наличии резерва времени [2].
Очевидно, что выбранный в [1] режим работы ОНКС снижает как функцию готовности Кго{0, так и среднюю готовность
КгоСО^ | кго№
' о
за время Т непрерывной работы рассматриваемой избыточной нейрокомпьютерной системы с парал-
лельным соединением двух искусственных нейронных сетей, (дублирующих друг друга), находящихся в рабочем и отключенном состоянии одновременно, и обеспечивающих тем самым непрерывный контроль работы ОНКС. Иными словами, выбранный в [1 ] режим работы ОНКС, когда для устранения отказа в одной из нейронных сетей выходы обеих ИНС отключаются, снижает долю времени Г, в течение которого нейрокомпьютерная система с непрерывным контролем работы по принципу "совпадения-несовпадения" сигналов на выходах двух ИНС, будет находиться в работоспособном состоянии, т.е. работать по прямому назначению.
Рассмотрим другой режим работы нейрокомпьютерной системы с дублированной структурной функционально устойчивых логически стабильных в заданном диапазоне искусственных нейронных сетей при периодическом поочередном контроле их работоспособности. При этом режиме работы одна из ИНС всегда работает по прямому назначению, т.е. решает поставленную задачу, другая ИНС периодически отключается для осуществления контроля работоспособности, а при обнаружении отказа для восстановления функциональных свойств путем логической перестройки в установленном диапазоне логической стабильности [3].
Будем полагать, что в рассматриваемой нейрокомпьютерной системе (НКС) поток отказов ИНС пуас-соновский с параметром Л, то есть вероятность безотказной работы системы Р(() подчиняется экспоненциальному закону. Время, необходимое для осуществления полного контроля работоспособности каждой из искусственных нейронных сетей, равно тк, а период контроля равен .
Считаем, что устройство контроля абсолютно надежное, а достоверность контроля работоспособности ИНС равна единице. Эти предположения при периодическом контроле работоспособности вполне допустимы, при условии что система контроля непосредственно перед началом очередного цикла самоконтролируется. При обнаружении отказа (неис-
р(<), р.М
1,0 I
Pit)
p(.)
r(')
0,8
P.W
p.(<)
p.(')
0,4 i
0.2 *
2T.
Рис. 1. График зависимости Р(() и Р0(<) для ККС сдублированной структурой ИНС при периодическом контроле работоспособности.
правности) в контролируемой нейронной сети требуется некоторое время на логическую перестройку ИНС и восстановление ее функциональных свойств, что, естественно, приводит к некоторому увеличению периода контроля Тк. Однако при высокой надежности НКС отказы в ИНС возникают достаточно редко. Поэтому в дальнейшем вопросами изменения периода контроля при обнаружении отказа и логической перестройки ИНС будем пренебрегать и считать период контроля Тк постоянным в течение всего времени жизни [3] рассматриваемой нейрокомпью-терной системы.
В рамках сделанных предположений график, иллюстрирующий зависимость вероятности безотказной работы Р(() от времени, НКС с периодическим контролем работоспособности нейронных сетей представлен на рис. 1.
В начальный момент времени обе искусственные нейронные сети НКС проверены и работоспособны, поэтому вероятность безотказной работы рассматриваемой системы Р(0)=1. В интервале времени
[0, (Тк - тк)] контроль ИНС не производится, поэтому на данном временном этапе рассматриваемая НКС представляет собой дублированную систему с параллельным соединением рабочей нейронной сети и нейронной сети в виде нагруженного резервного устройства.
Такая система, как известно, может находиться в трех состояниях Е0, Е,, Е2 по числу отказов в сети. Поэтому, обозначив РДО (0 < / < 2) - вероятность нахождения системы в состоянии Е(, легко составить систему дифференциальных уравнений для описания переходов нейрокомпьютерной системы из исходного состояния Е0 в поглощающее состояние Е2
p'0(t) = -Mp0(t), p'0(t) = 2Ap0(t)-Ap1(t)l p\(t) = ApJt)
(1)
На графике (рис.1) изменение вероятности безотказной работы НКС Р((), рассчитанное по формуле
(2), на временном интервале [0, (Тк -г*)] показано сплошной линией. В том случае, если бы нейроком-пьютерная система была не резервированная, т.е. содержала в своем составе одну ИНС, то ее вероятность безотказной работы
Р(1(0=ехр(-Л0 (3)
изменялась бы по пунктирной кривой.
В момент времени Тк-тк в рассматриваемой НКС одна из задублированных искусственных нейронных сетей отключается для осуществления контроля работоспособности. Поэтому в данный момент вероятность безотказной работы НКС скачком уменьшается от величины Р(Тк -тк) до Р0(Тк — тк). При этом в дальнейшем в течение времени тк вероятность безотказной работы НКС Р(() с одной отключенной для контроля искусственной нейронной сетью продолжает падать по закону Р0(/) (сплошная кривая), а отключенная ИНС проверяется и, если произошел отказ, то путем логической перестройки восстанавливается [3]. В результате этого в момент времени Тк вероятность безотказной работы НКС Р(Гк) = 1, Далее, как следует из графика (рис. 1), описанный процесс повторяется.
Сплошная кривая вероятности безотказной работы рассматриваемой НКС, представленная на рис. 1, имеет характер периодической функции с периодом Тк. Поэтому нет необходимости для описания поведения рассматриваемой нейрокомпьютерной системы составлять и решать систему дифференциальных уравнений, а можно сразу же записать выражение для средней готовности НКС
1 т'
Km(Tj = -f a(t)dt,
Т
(4)
с начальными условиями р0(0)=1, Р!(0)=р2(0)=0.
Используя преобразование Лапласа нетрудно получить из (1) выражение для расчета вероятности безотказной работы
р(0=Ро(0+р,(0 нейрокомпьютерной системы в течение времени
^ЫТк-тк)\
где
a(f)-
Р(()на интервале [о, (Тк - тк)], Р„(t)на интервале [(Tk - тк),Тк ].
P(t)=2exp(-At)-exp{-2At).
(2)
Подставляя в (4) значения Р(() (2) и P0(f) (3), получим выражение для средней готовности рассматриваемой НКС при периодическом контроле работоспособности с дублированной структурой искусственных нейронных сетей
1 к~ч
= - | [2ехр{-А1)-ехр{-2Аф +
1к [ О тк
+ | ехр(-М)М =
+ -^гехр[~2Л{Тк-тк)]-
2 ЛТ, 2ЛТ.
1-ехр Лтк , ч -£—-ехр(-ЛТк).
ЛЪ
Используя уравнение (5) можно так выбрать период контроля работоспособности ИНС рассматриваемой НКС, чтобы обеспечить заданное значение К гн (Тк )3 средней готовности нейрокомпьюгерной системы.
Очевидно, что если структура резервирования НКС с периодическим контролем будет иная (например, троирование ИНС), то, определив закон изменения во времени ее вероятности безотказной работы, можно аналогичным образом выбрать необходимый период контроля Тк работоспособности системы.
В заключение следует отметить, что выражение (5) для средней готовности рассмотренной нейроком-
пьютерной системы с дублированной структурой нейронных сетей при периодическом контроле их работоспособности позволяет оценить эффективность данной системы контроля НКС по сравнению с другими типами и режимами контроля нейроком-пьютерных систем.
Библиографический список
1. Потапов В.И., Потапов И.В. Отказоустойчивые нейроком-пьютерные системы на базе логически стабильных искусственных нейронных сетей //Омский научный вестник. - 2004,- №3( 28).-С. 119-123.
2. Черкесов Г.Н. Надежностьтехнических систем с временной избыточностью. - М.:Сов. Радио, 1974. - 295 с.
3. Потапов В.И., Потапов И.В. Математические модели, методы и алгоритмы оптимизации надежности итехнической диагностики искусственных нейронных сетей. - Омск: Изд-во ОГУП. -2004. - 220с.
ПОТАПОВ Виктор Ильич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники.
ПОТАПОВ Илья Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры информатики и вычислительной техники.
УДК «813 С. А. КОГУТ
В. А. РОМАНОВ В. Г. ШАХОВ
Омский государственный университет путей сообщения
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ В ЗАЩИЩЕННОМ РЕЖИМЕ_
Приводятся анализ и обобщение опыта безопасной работы структурированной компьютерной сети на примере сети университета. Даются рекомендации по использованию дополнительных программных продуктов и основные направления работы сетевых администраторов по повышению безопасности на разных этапах.
При проектировании, реализации и эксплуатации компьютерных сетей предприятия возникает ряд проблем, связанных с поддержкой информационной безопасности. Вопросы и их решения частично освещены в данной статье.
На первом этапе проектирования информационной системы необходимо составить представление о деятельности предприятия и собрать сведения, касающиеся:
• структуры предприятия;
• информационных потоков между подразделениями;
• уровня подготовки сотрудников;
• системы материальной ответственности;
• порядка доступа к документам;
• службы охраны.
Эти аспекты обычно игнорируются из-за значительной нагрузки на проектировщиков и сжатых сроков проектирования, однако практический опыт показывает, что отсутствие подобных сведений существенно удлиняет сроки работ и создает проблемы в будущем, Так как заказчик обычно слабо разбирается в области информационных технологий, то проектировщик должен самостоятельно сформировать свое мнение:
• о задачах, решаемых информационной системой и целях, для которых она создается;
