Основные положения научно-методического аппарата обоснования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

i-methods

ВОЕННЫЕ НАУКИ

том 11. № 4. 2019 http://intech-spb.com/i-methods/

Основные положения научно-методического аппарата

-У ЧУ ЧУ

обоснования структуры локальной вычислительном сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны

Кардаш Сергей Михайлович,

к.т.н., старший преподаватель Военной академии воздушно-космической обороны имени Маршала Советского союза ПК. Жукова, г. Тверь, Россия, kardashsm@mail.ru

Вишняков Александр Сергеевич,

преподаватель Военной академии воздушно-космической обороны имени Маршала Советского союза ПК. Жукова, г. Тверь, Россия, saha_itomlya@mail.ru

АННОТАЦИЯ_________________________________________________________

В работе предложен научно-методический подход к решению задачи обоснования состава, структуры и методов организации отказоустойчивого функционирования локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны в сложных условиях его применения. Обоснование структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации предполагает совершенствование с одной стороны моделей оценки эффективности его функционирования при воздействии дестабилизирующих факторов, а с другой, методов структурной и параметрической оптимизации комплекса средств автоматизации. Данный подход позволяет в условиях ограничений на параметры используемых технических средств обеспечить: на этапе проектирования - минимизацию стоимости комплекса средств автоматизации, при выполнении требований к качеству решения задач управления, а на этапе эксплуатации, при воздействии дестабилизирующих факторов - максимизацию показателя эффективности его функционирования. Задача обоснования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации сводится к решению трех частных подзадач. Первые две решаются на этапе проектирования: синтез рациональной структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации, предусматривающий поиск рационального варианта состава используемых электронно-вычислительных машин и варианта распределения по ним задач, при котором обеспечивается минимальная стоимость создания комплекса средств автоматизации; задача обоснования средств и методов организации отказоустойчивого функционирования комплекса средств автоматизации, заключающаяся в поиске рационального варианта резервирования электронно- вычислительных машин комплекса средств автоматизации и варианта применения программно-логических методов, обеспечивающие минимальную стоимость средств и методов для достижения заданного значения вероятности успешного решения всех функциональных задач комплекса. Третья задача решается на этапе эксплуатации и заключается в обосновании варианта распределения задач по электронно-вычислительным машинам комплекса средств автоматизации при возникновении отказов в отдельных из них. Предложенный научно-методический аппарат позволит повысить эффективность функционирования комплекса средств автоматизации при многочисленных дестабилизирующих факторах, обусловленных ограниченными значениями надежностных характеристик его элементов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: комплекс средств автоматизации; локальная вычислительная сеть; пункт управления; дивизия противовоздушной обороны; электронно-вычислительная машина.

Введение

В целях обеспечения управления любым воинским формированием создается система управления, которая включает в себя: органы управления, пункты управления и систему связи.

Органами управления являются штабы воинских формирований. Оперативные группы командиров из состава штабов (боевые расчеты) располагаются на пунктах управления.

Пункты управления — это командные пункты всех степеней, с которых командиры осуществляют руководство подчиненными войсками и боевыми средствами при подготовке и в ходе боевых действий, а также при управлении дежурными силами.

Система связи обеспечивает обмен всеми видами информации в системе управления.

Для повышения оперативности и качества управления система управления соединения противовоздушной обороны оснащается средствами автоматизации.

Комплекс средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны предназначен для автоматизации управления боевыми действиями частей соединения противовоздушной обороны, а также для оповещения о воздушной обстановке вышестоящий комплекс средств автоматизации территориального центра управления и взаимодействующие пункты управления.

Комплекс средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны решает комплекс задач, основными из которых являются:

- передача сигналов на приведение подчиненных частей и подразделений в высшие степени боевой готовности;

- сбор, обработка и отображение информации о воздушной обстановке, поступающей от подчиненных и взаимодействующих частей и подразделений;

- выдача боевой информации и информации для боевого управления на командные пункты подчиненных частей;

- контроль полетов и перелетов заявочных самолетов в аэродромных зонах и обеспечение безопасности полетов своей авиации.

Комплекс средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны включает в свой состав:

- центральный вычислительный комплекс;

- устройство печатающее;

- коммутационная коробка;

- преобразователь интерфейса;

- комплекс средств передачи данных;

- электронно-вычислительную машину отображения;

- электронно-вычислительную машину регистрации;

- комплекс средств итогового документирования;

- автоматизированные рабочие места.

Все составляющие элементы комплекса средств автоматизации объединены между собой локальной вычислительной сетью, которая образует единую распределенную систему обработки и хранения информации и предоставляет совместный доступ к информационным и аппаратным ресурсам.

На пунктах управления боевыми расчетами решаются задачи управления в сложных условиях обстановки, при этом развернутые на них комплексы средств автоматизации под-

вержены влиянию различных дестабилизирующих факторов, обусловленных ошибками во входной информации, отказами отдельных электронно-вычислительных машин, проявлением программных ошибок, а также несанкционированным вмешательством в ход вычислительного процесса по выполнению задач управления, что негативно сказывается на эффективности функционирования комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны [1].

Отказ — потеря техническим изделием (системой, элементом системы) способности выполнять свои функции. К отказам относят поломки, выход из строя, ошибки программного и аппаратного обеспечения [2-8].

Анализ существующего научно-методического аппарата создания комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны показал, что вопросы обоснования состава, структуры и методов организации отказоустойчивого функционирования локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления в сложных условиях его применения, характеризующихся наличием дестабилизирующих факторов, в отличие от нормальных (штатных) условий, исследованы не достаточно полно и не учитывают степень автоматизации решаемых задач.

Таким образом, в настоящее время проблема обоснования структуры локальной вычислительной сети отказоустойчивого комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны и повышения эффективности его устойчивого функционирования в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, является важной, актуальной и востребованной для практики.

Основная часть

Комплекс средств автоматизации пункта управления противовоздушной обороны является сложной технической системой, реализующей информационные процессы в сложных условиях обстановки. Большая стоимость, трудоемкость и продолжительность работ по его созданию, многоплановость проблем, возникающих в процессе его разработки и эксплуатации, обуславливают необходимость регламентации и упорядочения процесса создания комплекса в соответствии с принципиальными положениями, которые можно рассматривать как общие требования к комплексу средств автоматизации.

Основным принципом обоснования структуры комплекса средств автоматизации для специализированных приложений является принцип соответствия структуры средств автоматизации и его отдельных элементов задачам проектируемой системы. Так как основные функции на пункте управления соединения противовоздушной обороны решаются в автоматизированном режиме, то при создании соответствующих средств автоматизации необходимо учитывать состав и структуру боевого расчета пункта управления. Поэтому для формирования рационального варианта структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны, обоснования параметров ее элементов, необходимо осуществить анализ обобщенной структуры программного обеспечения комплекса средств автоматизации, а также состава и содержания задач должностных лиц пункта управления соединения противовоздушной обороны, деятельность которых автоматизируется. При этом можно выделить основные подсистемы комплекса

программно-технических средств комплекса средств автоматизации конкретного пункта управления, предопределяющие технический облик проектируемой системы.

Кроме того, предложенный концептуальный облик комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны предполагает в качестве основы использовать унифицированную среду распределенной обработки, что приводит к необходимости обоснования унифицированного ряда типовых элементов вычислительных средств (автоматизированных рабочих мест, серверов) и сетевого оборудования комплекса средств автоматизации.

При обосновании структуры комплекса средств автоматизации, его локальной вычислительной сети не следует стремиться автоматизировать традиционные задачи управления по принципу их реализации «ручными» методами. Необходимо находить новые задачи или новые методы решения традиционных задач на основе математических моделей, обеспечивающих оптимальное управление.

Структура и конкретные технические решения, реализованные в комплексе средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны, должны предусматривать и обеспечивать возможность внедрения автоматизированного решения новых задач, возникающих в процессе эксплуатации комплекса, подключения новых участков объекта автоматизации, модернизации технических средств и ее информационного и математического обеспечения. Все автоматизируемые задачи должны быть увязаны по целям, последовательности решения, использованию результатов решения предшествующих задач.

В составе комплекса средств автоматизации должны быть такие технические средства, которые позволяли бы с минимальными затратами приводить комплекс в соответствие с изменившейся обстановкой, то есть структура комплекса должна иметь возможность оперативного изменения в новых условиях его применения. Технические средства комплекса средств автоматизации должны быть выполнены в виде совокупности функционально и конструктивно завершенных устройств, блоков, узлов. Функциональная завершенность облегчит модификацию технических средств и их элементов в процессе модернизации комплекса средств автоматизации.

Оценивая современное состояние теории обоснования структуры локальных вычислительных сетей комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны, приходится констатировать, что она не может удовлетворить потребностей практики, так как в ней отсутствуют обобщения, позволяющие реализовать комплексный подход к обоснованию данной структуры локальной вычислительной сети.

Проведенный анализ показал, что задачи проектирования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации и организации отказоустойчивого функционирования комплекса средств автоматизации решались в основном порознь и изучены с различной степенью глубины. Внимание большинства теоретиков и практиков сосредоточено на решении отдельных задач проектирования, но в то же время данная задача не решена в полном объеме, что требует значительных теоретических обоснований и разработки практических рекомендаций, основанных на научном фундаменте теории проектирования комплекса средств автоматизации для пунктов (органов) управления Воздушно-космических сил.

Под отказоустойчивым комплексом средств автоматизации понимается комплекс, обеспечивающий автоматическое обнаружение ошибки, выявление ее характера, локализацию

неисправности, реконфигурацию комплекса средств автоматизации и восстановление процесса функционирования [2].

Необходимо отметить наличие проблемной ситуации, характеризуемой отставанием теории создания комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны от потребностей практики, о наличии противоречия, которое не может быть преодолено без проведения серьезных научных исследований в рассматриваемой предметной области.

Учитывая вышеизложенное, возникает потребность в усовершенствовании научно-методического аппарата обоснования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны как на этапе проектирования комплекса средств автоматизации, так и на этапе его нормальной эксплуатации.

При этом на этапе проектирования необходимо последовательно решить: задачу синтеза рациональной структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации, предусматривающую поиск рационального варианта состава используемых электронно-вычислительных машин и варианта распределения по ним задач, при котором обеспечивается минимальная стоимость создания комплекса средств автоматизации; задачу обоснования средств и методов организации отказоустойчивого функционирования комплекса средств автоматизации, которая заключается в поиске рационального варианта резервирования электронно-вычислительных машин комплекса средств автоматизации и варианта применения программно-логических методов, обеспечивающие минимальную стоимость средств и методов для достижения заданного значения вероятности успешного решения всех функциональных задач комплекса.

На этапе эксплуатации необходимо решить задачу обоснования варианта распределения задач по электронно-вычислительным машинам комплекса средств автоматизации при возникновении отказов в отдельных из них.

В связи с этим, задача обоснования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации пункта управления соединения противовоздушной обороны формализовано может быть записана в виде трех частных подзадач:

1. При заданной системе исходных данных необходимо найти рациональный вариант (Ж* , X*) (вариант состава используемых электронно-вычислительных машин Х*, вариант распределения задач по электронно-вычислительным машинам Ж), который обеспечивает минимальную стоимость создания комплекса средств автоматизации С(Ж, X), при удовлетворении требований тактико-технического задания по загрузке электронно-вычислительных машин комплекса средств автоматизации (р зад), энергетическим (Езад) и массогабаритным (Мзад) характеристикам комплекса средств автоматизации:

X*) = а^шш С (V, X), (1)

ХеН

при ограничениях: р(Ж, X) < рзад; М(Х) < Мзад; Е(Х) < Езад, где:

© — множество возможных вариантов распределения задач по электронно-вычислительным машинам комплекса средств автоматизации;

а — множество всех возможных вариантов состава электронно-вычислительных машин, используемых в комплексе средств автоматизации;

р( Ж, X) — множество значений загрузки электронно-вычислительных машин комплекса средств автоматизации;

рзад — множество заданных значений загрузки электронно-вычислительных машин комплекса средств автоматизации;

М(Х) — множество значений массогабаритных характеристик комплекса средств автоматизации;

Мзад — множество заданных значений массогабаритных характеристик комплекса средств автоматизации;

Е(Х) — множество значений энергетических характеристик комплекса средств автоматизации;

г^зад ~

Е — множество заданных значений энергетических характеристик комплекса средств автоматизации;

2. При заданной системе исходных данных при формировании рационального варианта (W *, X*) необходимо найти такой вариант (У*, 7 *) (вариант резервирования электронно-вычислительных машин комплекса средств автоматизации У*, вариант применения программно-логических методов 7 ), который обеспечивает минимальную стоимость средств и методов для достижения заданного значения вероятности успешного решения всех функциональных задач в комплексе средств автоматизации (Рзад) при удовлетворении требований тактико-технического задания по энергетическим (Езад) и массогабаритным (Мзад) характеристикам комплекса средств автоматизации:

(у*, Z *} = ащтт С (У, Z), (2)

ZeQ.

при ограничениях Р(У, 7) > Рзад; М(У) < Мзгл; Е(У) < Езад, где:

У — множество вариантов резервирования электронно-вычислительных машин;

7 — множество вариантов применения программно-логических методов;

С — стоимость средств резервирования и программно-логических методов;

¥ — множество всех возможных вариантов резервирования, используемых в комплексе средств автоматизации электронно-вычислительных машин;

О — множество всех возможных вариантов применения программно-логических методов достижения заданной вероятности успешного решения функциональных задач в комплексе средств автоматизации;

Р(У, 7) — множество вероятностей успешного решения функциональных задач в комплексе средств автоматизации;

М(У) — множество значений массогабаритных характеристик комплекса средств автоматизации;

Е(У) — множество значений энергетических характеристик комплекса средств автоматизации.

3. При заданной системе исходных данных и выбранном варианте обеспечения заданных требований по решению функциональных задач (Ж*,X*, У*, Ъ ) при отказе 7-й электронно-

вычислительной машины необходимо найти такой вариант Ж' распределения задач по электронно-вычислительным машинам комплекса средств автоматизации, при котором эффективность функционирования комплекса средств автоматизации будет максимальна:

Ш = а^шах F (Ш), (3)

где©.—множество возможных вариантов распределения задач по электронно-вычислительным машинам комплекса средств автоматизации при отказе i-й электронно-вычислительной машины.

Заключение

Предложенный научно-методический аппарат обоснования структуры локальной вычислительной сети комплекса средств автоматизации позволит повысить эффективность его функционирования в сложных условиях обстановки при многочисленных дестабилизирующих факторах, обусловленных ограниченными значениями надежностных характеристик элементов комплекса средств автоматизации.

Литература

1. Кардаш С. М., Качур А. В., Костырев И. А. Способ повышения надежности функционирования многомашинных вычислительных комплексов военного назначения // Сборник материалов научно-технической конференции филиала ВА РВСН им. Петра Великого «Состояние и перспективы развития ракетного вооружения» (Санкт-Петербург, 4-6 декабря 2018 г.). Санкт-Петербург, 2018. С. 121-125.

2. Ларионов А.М. Вычислительные системы (о проблеме быстродействия). М.: Знание, 1987. 132 с.

3. Коваленко К. А., Лясковский В. Л., Прохоров А. Г. К вопросу повышения надежности функционирования многомашинных вычислительных комплексов с использованием аппаратных средств и программно-логических методов // Автоматика и телемеханика. 1997. № 3. С.226-233.

4. Кутдусов Ф.Х., Рублев Т. А. Адаптивный мажоритарный элемент в системах автоматического управления // Исследовано в России. 2005. Т. 8. С. 1248-1252.

5. Жаднов В.В,. Жаднов И. В., Полесский С. Н. Современные проблемы автоматизации расчетов надежности // Надежность. 2007. № 2. С. 3-12.

6. Чеканов А. Н. Расчеты и обеспечение надежности электронной аппаратуры. М.: Кнорус, 2012. 438 с.

7. Олифер Н. А., Олифер В.Г. Средства анализа и оптимизации локальных сетей. URL: http://www.citforum.ru/nets/optimize/index.shtml (дата обращения 02.10.19).

8. Вишневскии В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003. 512 с.

BASIC PROVISIONS OF THE SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL APPARATUS OF THE SUBSTANTIATION OF THE STRUCTURE OF THE LOCAL COMPUTER NETWORK OF THE COMPLEX OF AUTOMATION OF THE CONTROL POINT OF THE ANTI-AIR DEFENSE

SERGEY M. KARDASH,

Tver, Russia, kardashsm@mail.ru

ALEXANDER S. VISHNYAKOV,

Tver, Russia, saha_itomlya@mail.ru

PhD, Senior lecturer of the Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov;

lecturer of the Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov

ABSTRACT

The work proposes a scientific and methodological approach to solving the problem of substantiating the composition, structure and methods of organizing the fault-tolerant functioning of the local computer network of a complex of automation tools for an air defense connection control center in difficult conditions for its use. Justification of the structure of the local computer network of a complex of automation tools involves improving, on the one hand, models for evaluating the effectiveness of its functioning under the influence of destabilizing factors, and on the other, methods for structural and parametric optimization of a complex of automation tools. This approach allows, under conditions of restrictions on the parameters of the used technical means, to ensure: at the design stage - minimization of the cost of a complex of automation means, while fulfilling the quality requirements for solving control problems, and at the operation stage, under the influence of destabilizing factors - maximization of its performance indicator. The task of substantiating the structure of the local computer network of a complex of automation tools is reduced to solving three private subtasks. The first two are solved at the design stage: the synthesis of the rational structure of the local computer network of a complex of automation tools, which provides for the search for a rational composition of the used electronic computers and the distribution of tasks among them, which ensures the minimum cost of creating a complex of automation tools; the task of justifying the means and methods of organizing the fault-tolerant functioning of the complex of automation means, which consists in finding a rational option for backing up electronic computers of the complex of automation means and the option of using program-logic methods that ensure the minimum cost of means and methods to achieve a given value of the probability of successful solution of all functional tasks of the complex . The third task is solved at the operational stage and consists in justifying the option of distributing tasks among electronic computers of a complex of automation tools in case of failures in some of them. The proposed scientific and methodological apparatus will improve the efficiency of the complex automation equipment with numerous destabilizing factors due to the limited values of the reliability characteristics of its elements.

Keywords: complex of automation tools; local computing network; control point; air defense division; electronic computer.

REFERENCES

1. Kardash S. M., Kachur A. V., Kostyrev I. A. Sposob povysheniya nadezhnosti funkcionirovaniya mnogomashinnyh vychislitel'nyh kompleksov voennogo naznacheniya [A way to increase the reliability of the operation of military multi-machine computing systems]. Sbornikmaterialov nauchno-tehnicheskojkonferencii filiala VA RVSN imeni Petra Velikogo "Sostoyanie iperspektivy razvitiya raketnogo vooruzheniya" [Proc. of the scientific and technical conference of the branch of the VA Strategic Missile Forces named after Peter the Great "VA Strategic Rocket Forces", St. Petersburg, on December 4-6, 2018]. St. Petersburg, 2018. Pp. 121-125. (In Russian)

2. Larionov A. M. Vychislitel'nyye sistemy (o probleme bystrodeystviya) [Computing systems (about the performance problem)]. Moscow: Znaniye, 1987. 132 p. (In Russian)

3. Kovalenko K. A., Lyaskovsky V. L., Prokhorov A. G. K voprosu povysheniya nadezhnosti funkcionirovaniya mnogomashinnyh vychislitel'nyh kompleksov s ispol'zovaniem apparatnyh sredstv i programmno-logicheskih metodov [On the issue of improving the reliability of multi-machine computing systems using hardware and software-logic methods]. Automation and Telemechanics [Avtomatika i telemekhanika]. 1997. No. 3. Pp. 226-233. (In Russian)

4. Kutdusov F. Kh., Rublev T. A. Adaptivnyj mazhoritarnyj "element v sistemah avtomaticheskogo upravleniya [Adaptive majority element in automatic control systems]. Issledovano v Rossii [Investigated in Russia]. 2005. Vol. 8. Pp. 1248-1252. (In Russian)

5. Zhadnov V. V., Zhadnov I. V., Polessky S. N. Sovremennye problemy avtomatizacii raschetov nadezhnosti [Modern problems of automation of reliability calculations]. Nadezhnost' [Reliability]. 2007. No. 2. Pp. 3-12. (In Russian)

6. Chekanov A. N. Raschety i obespechenie nadezhnosti 'elektronnoj apparatury [Calculations and ensuring the reliability of electronic equipment]. Moscow: Knorus, 2012. 438 p. (In Russian)

7. Olifer N. A., Olifer V. G. Tools for analysis and optimization of local networks. URL: http://www.citforum.ru/nets/opti-mize/index.shtml (date of access 02.10.19). (In Russian)

8. Vishnevsky V. M. Teoreticheskie osnovyproektirovaniya komp'yuternykh setey [Theoretical foundations of the design of computer networks]. Moscow: Tekhnosfera, 2003. 512 p. (In Russian)