Теоретические основы и практическая реализация синтеза информационных систем автоматизированных комплексов управления критически важных объектов
Научно-техническая разработка методологии исследований и создания комплекса управления объектом на основе автоматизации обработки документированной информации. Принципы построения программно-моделирующих систем. Модели адаптивных алгоритмов их работы.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.02.2018 |
| Размер файла | 196,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИНТЕЗА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ УПРАВЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Специальность: 05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)"
КРУПЕНИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
Краснодар - 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет".
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор, Симанков Владимир Сергеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Курейчик Виктор Михайлович,
доктор технических наук, профессор Макаров Валерий Фёдорович,
доктор технических наук, профессор Лойко Валерий Иванович.
Ведущая организация: Воронежский институт МВД России.
Защита состоится "30" сентября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 ГОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет" по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2а, Г-251.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2а.
Автореферат диссертации разослан "27" августа 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.100.04, канд. техн. наук, доцент А.В. Власенко.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В последние годы наблюдается устойчивая тенденция нарастания потока информации, циркулирующей в системах управления критически важными объектами (КВО) государства. Причём, в зависимости от социально-политической обстановки в стране, характерны резкие колебания текущей нагрузки на центральный орган обработки документированной информации (ООДИ) КВО. Для оперативного и достоверного обеспечения информацией руководства КВО в условиях кризисных ситуаций к центральному ООДИ зачастую привлекаются дополнительные силы и средства. Однако, такие экстренные меры в целом не решают проблему обеспечения инвариантности пропускной способности ООДИ к резким колебаниям нагрузки. Это связано с большими трудозатратами и снижением требуемого уровня функциональной надёжности. То есть традиционные методы обработки информации недостаточно эффективны. В связи с этим на современном этапе возникает проблема недостаточно высокой эффективности информационных систем критически важных объектов государства.
Решение этой проблемы может быть осуществлено на базе совершенствования и развития автоматизированных методов передачи и обработки циркулирующей информации в системах управления критически важными объектами, а актуальность обусловлена решением Правительства Российской Федерации об ускоренном переходе к цифровым технологиям. Для автоматизированных ООДИ критически важных объектов недостаточно полно разработаны теоретические и научно-технические основы их синтеза, что является существенной причиной их низкой эффективности и основным сдерживающим фактором их широкого внедрения в практику.
В связи с вышеизложенным диссертационная работа посвящена методологии синтеза и научно-техническому обоснованию структуры информационных систем автоматизированных комплексов управления критически важных объектов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическая и научно-техническая разработка методологии системных исследований анализа и синтеза автоматизированного комплекса управления критически важного объекта на основе автоматизации обработки документированной информации.
Для достижения цели научных исследований в диссертационной работе поставлены и решены следующие научные задачи:
1. Исследовать потенциальные возможности традиционного органа обработки документированной информации критически важного объекта по обработке информации в повседневных условиях и в особые периоды кризисных ситуаций.
2. Разработать методику системных исследований для выбора и обоснования основных критериев и показателей эффективности автоматизированных информационных систем критически важных объектов на основе развития теоретических положений системного анализа и определения области применения типовых систем противодействия автоматизированных органов обработки документированной информации.
3. Разработать основные принципы построения автоматизированного органа обработки документированной информации и синтеза корпоративной и локальной сетей критически важных объектов.
4. Исследовать и разработать комплекс моделей адаптивных алгоритмов работы автоматизированного комплекса управления критически важного объекта на основе использования параллельных каналов связи с решающей обратной связью.
5. Исследовать основы синтеза автоматизированных комплексов управления критически важных объектов, обладающих свойством адаптации к качеству канала связи и разработать математические модели их функционирования.
6. Исследовать и разработать общую структуру корпоративной сети автоматизированных комплексов управления критически важных объектов на основе выбранных наиболее важных критериев, с учётом общих принципов построения автоматизированных информационных систем.
7. Исследовать и разработать методы моделирования типовых программно-моделирующих комплексов на основе разработки функциональных, информационных и динамических моделей его подсистем.
8. Разработать программу имитационного моделирования процесса обработки информации в автоматизированных системах критически важных объектов.
9. Оценить эффективность применения разработанных методов синтеза автоматизированных органов обработки документированной информации в условиях работы при нормальной и повышенной нагрузках.
Предметом исследования является методология системных исследований синтеза информационных систем автоматизированных комплексов управления критически важных объектов.
Объектом исследования является информационная система автоматизированного комплекса управления критически важного объекта.
Теоретической и методологической основой исследования являются: теория сложных многоуровневых иерархических систем; теория информации и управления; теория надёжности; теория случайных сигналов и шумов; теория экспертных систем и основы теории измерений; теория выбора и принятия решений; теория систем автоматического управления; теория матриц; теория конечных графов и сетей; теория вероятностей и математической статистики; теория множеств, математической логики и теория алгоритмов; элементы теории массового обслуживания и основы вычислительной математики; основы теории математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в теоретическом обобщении и организационно-техническом решении проблемы синтеза АКУ КВО. В частности:
1. Исследованы и определены причинно-следственные связи повышения нагрузки на информационную систему критически важного объекта и произведена формализация процесса обработки документальной информации. Разработана методика и математическая модель для обоснования оргштатной структуры, а также потенциальной пропускной способности традиционных ООДИ. Проведен сравнительный анализ пропускной способности традиционных и автоматизированных ООДИ для научного обоснования необходимости синтеза автоматизированных органов обработки документированной информации.
2. Проведён системный анализ органа обработки документированной информации в структуре управления критически важным объектом с учётом иерархии критериев эффективности подсистем. Найдены обоснованные наиболее значимые критерии эффективности информационной системы и решена многокритериальная задача синтеза сложной критически важной системы.
3. Разработана методика оценки и выбора типовых систем обеспечения устойчивости информационной сферы КВО на основе синтеза комплексной модели её функционирования.
4. Разработаны теоретические основы синтеза автоматизированных информационных систем КВО на основе Intranet технологии, повышающие оперативность, достоверность и надёжность передачи и приёма информации.
5. Разработана методика построения и произведена оценка информационных систем КВО, а также на этой основе синтезированы корпоративная и локальная сети критически важных объектов.
6. Разработана динамическая математическая модель функционирования программно-моделирующего комплекса ООДИ КВО, путём иерархического разбиения его на системно связанные подсистемы, позволяющая оптимизировать его структуру.
7. Произведена оценка эффективности синтезированной автоматизированной информационной сети обработки документированной информации по основным критериям, а также разработана методика оценки экономической эффективности.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Методика и математическая модель для определения структуры и потенциальных возможностей традиционных органов обработки документированной информации критически важных объектов.
2. Методика выбора наиболее значимых критериев эффективности функционирования информационной автоматизированной системы обработки информации КВО.
3. Методика системных исследований для оценки и выбора типовых систем противодействия угрозам информационной сферы для комплектования информационных систем автоматизированных комплексов управления КВО.
4. Общая структура корпоративной сети КВО на основе выбранных наиболее значимых критериев, с учётом общих принципов построения информационных систем.
5. Теоретические основы синтеза информационных систем автоматизированных комплексов управления КВО на основе разработанных адаптивных алгоритмов и типового программно-моделирующего комплекса, повышающие производительность, достоверность и надёжность информации.
6. Оценка эффективности синтезированных автоматизированных методов обработки документированной информации по сравнению с традиционными.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением апробированного и общепринятого математического аппарата, идентификацией, верификацией данных на основе обширного экспериментального материала и имитационного моделирования, сопоставлением расчётов на основе разработанных моделей с известными эталонными численными решениями, проверенными натурными экспериментами, расхождение с которыми не превышает заданного уровня достоверности, широкой апробацией полученных результатов на Международных и Всероссийских конференциях, публикацией в реферируемых журналах ВАК РФ, а также экспертизой технических решений, подтверждённых патентами на предлагаемые устройства и свидетельствами на программное обеспечение разработанных алгоритмов.
Теоретическая и практическая ценность работы. Теоретическая значимость работы заключается в разработке научно-методического аппарата, который может представить общенаучный интерес для задач синтеза информационных систем КВО в различных предметных областях государственных структур. Теоретическая часть работы может рассматриваться в качестве прикладного элемента методологии системного анализа при решении задач указанного класса.
Практическая значимость работы заключается в разработке архитектуры информационных систем КВО, позволяющей решать задачи автоматизированной обработки документированной информации с обеспечением требуемого уровня функциональной надёжности их эксплуатации, а также оперативности и достоверности информации.
Разработанные научные положения и методики синтеза ИС КВО могут быть использованы для проверки на соответствие информационных систем требованиям функциональной стабильности и сертификации объектов КВО при аттестации объектов информатизации, удовлетворяющие требованиям отечественных и международных стандартов.
Реализация научных результатов. Разработанный научно-методический аппарат и технические решения использовались при разработке локальных сетей КВО Краснодарского края на базе программно-технических комплексов интеграции информационных ресурсов в вопросах определения оргштатной численности личного состава органа по обработке документированной информации и его потенциальных возможностей, путём использования разработанных адаптивных алгоритмов функционирования информационных систем для повышения надёжности, оперативности и достоверности передаваемой информации.
Разработанный научно-методический аппарат и результаты научных исследований внедрены в учебный процесс Краснодарского университета МВД России и используются при подготовке лекций и учебно-методических материалов для проведения занятий.
Использование результатов диссертационных исследований подтверждено двумя актами внедрения.
Апробация результатов научных исследований. Результаты исследований докладывались на научных семинарах, конференциях и симпозиумах: на Международных научно-технических конференциях "Интеллектуальные системы (IEEE AIS'04,05,06)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2004,2005,2006)" (Дивноморское-Россия, 2004, 2005, 2006 г.); на II Всероссийской НПК "Математические методы и информационно-технические средства" (г. Краснодар, 2006 г.); на VII Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (INTELS'2006) (Россия, Краснодар, 2006 г.); на научно-практических конференциях и межвузовских НТК Краснодарского высшего военного училища (военного института) (г. Краснодар, 2004, 2005, 2007, 2008 г.); на научном семинаре в Южном федеральном университете (г. Таганрог, 2008 г.); на научном семинаре в Воронежском институте МВД России (г. Воронеж, 2008 г.)
Публикации результатов научных исследований. Основные результаты научных исследований опубликованы в 30 научных работах: 8 научных статях; 15 докладах и тезисах докладов; 5 патентов на полезную модель; 1 патент на изобретение; 1 авторское свидетельство на государственную регистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка используемых сокращений, введения, 8 глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованной литературы, содержащего 262 наименования и приложения. Работа изложена на 294 листах машинописного текста.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены полученные автором основные результаты проведённых исследований, показана их научная новизна, практическая значимость, указаны научные положения, выносимые на защиту и дана общая характеристика работы.
В первой главе произведён анализ научной проблемы, разработана методика разбиения технологического процесса обработки информации в ООДИ, состоящая из обобщения функционально-законченных циклов в общей цепи прохождения информации. Показана аксиоматика проблемной области, которая наглядно отражает невозможность обработки документированной информации штатным личным составом при увеличении нагрузки в 2 и более раз, определены границы исследования, разработана функционально-структурная модель АКУ КВО, введена формальная постановка научной проблемы. Произведена формализация процесса приёма и обработки информации и на этой основе разработана математическая модель для объективной оценки количества операторов и необходимой оргштатной структуры органа по обработке документированной информации, в зависимости от реальной нагрузки и напряжённости работы личного состава. Полученная модель позволяет сравнить потенциальные возможности традиционных и автоматизированных органов по обработке документированной информации. Расчёты показали, что при существенном увеличении нагрузки возникает необходимость перехода к автоматизированным методам обработки документированной информации в информационных системах КВО.
Во второй главе обоснованы основные фазы решения многокритериальной задачи синтеза информационных критически важных систем, введена системная парадигма формирования интегрального критерия эффективности ИС КВО и на её основе произведена унификация математического аппарата исследования и минимизация математических моделей при выборе обобщённого критерия, характеризующего функциональную стабильность ИС КВО.
С помощью методов системного анализа совокупность частных критериев структурируется в отдельные иерархически связанные этапы задач синтеза ИС КВО, которые включают высший уровень, средний уровень, низший уровень.
Каждый этап синтеза характеризуется временными критериями. В качестве обобщённого критерия выступает время реакции системы не превышающее допустимое значение, как показано на рисунке 1.
Обозначения на рисунке 1 означают: S система управления КВО, которая характеризуется вектором критериев -
,
Sоди - система обработки документированной информации (СОДИ).
На базе системного анализа обоснован функциональный уровень ООДИ в системе управления КВО, который характеризуется вектором критериев
,
включающего, в том числе, временные показатели реакции отдельных подсистем. При синтезе автоматизированной СОДИ время обработки документированной информации не должно превышать заданных нормативных времён обработки.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Это достигается путём оптимизации единичных показателей структурных элементов СОДИ на конечном этапе синтеза. То есть обеспечивается эффективность функционирования разработанной системы по обобщённому критерию .
Из рисунка 1 видно, что на вход системы Sоди поступает информация от множества подчинённых подсистем суперсистемы S в виде вектора
,
который в качестве единичных показателей включает в себя интенсивность потока входящей информации - л. Выходной поток информации обеспечивает управление подчинёнными подсистемами и выдаётся в интересах администрации КВО, обозначается как
,
где - это время обработки входящей информации.
Разработана методика выбора наиболее значимых критериев эффективности ИС КВО на основании математического аппарата теории выбора лучших вариантов, включающая в себя как задачу анализа, так и задачу синтеза автоматизированных ИС КВО. В процессе анализа из совокупности критериев, характеризующих информационную систему, используя теорию человекомашинных процедур, выбираются наиболее значимые критерии эффективности для системы КВО. Синтезированная иерархия критериев эффективности функционирования ИС КВО, показана на рисунке 2.
Задача анализа включает в себя выбор наиболее значимых критериев эффективности, обладающих наибольшим весом. Для корпоративных сетей КВО в качестве интегрального критерия выступает эффективность функционирования ИС , включающая наряду с качеством информационной системы , экономическую эффективность .
Экономическая эффективность содержит годовой экономический эффект , коэффициент эффективности капитальных вложений и срок окупаемости капитальных вложений . Тогда на основании системного подхода можно записать
.
Для ИС КВО вес критериев, характеризующих экономическую эффективность намного уступает весу критериев, характеризующих качество функционирования системы. Поэтому в дальнейшем будут исследоваться наиболее значимые критерии, характеризующие качество функционирования ИС КВО.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Качество информационной системы характеризуется следующими основными критериями: производительностью, достоверностью, надёжностью, функциональной стабильностью, расширяемостью, масштабируе-мостью, прозрачностью, поддержкой разных видов трафиков, управляемостью, совместимостью. Вектор качества информационной системы является обобщённым критерием для 2-го уровня и представляется как
.
Из десяти критериев, характеризующих качество функционирования ИС КВО (смотри рисунок 2), вес критериев, характеризующих: производительность, достоверность, надёжность и функциональную стабильность значительно превосходят по весу остальные критерии. Следовательно, при синтезе ИС КВО, указанные четыре критерия будут выступать в качестве основных (наиболее важных).
Функциональная стабильность разрабатываемой ИС КВО будет зависеть от выбора наиболее эффективной, по функциональным возможностям, СПУИС, рекомендованных руководящими документами для систем КВО. В связи с этим в работе разработана методика оценки и выбора типовых СПУИС для комплектования информационных систем автоматизированных комплексов управления критически важных объектов, которая базируется на количественном значении интегрального критерия . Данный критерий, в свою очередь, базируется на комплексной оценке системы противодействия угрозам информационной сферы и имеет сложную иерархическую четырёхуровневую структуру.
Исходя из того, что для конструирования обобщенной оценки функциональной стабильности ИС КВО используется определённое количество математических моделей, то данное множество математических моделей должно обеспечивать адекватное формирование обобщенных показателей на каждом уровне иерархии, с учётом вклада каждого частного показателя в формирование интегрального на своём уровне.
Пусть через
Z = {zj},
j=1,2,…,J - обозначим множество исходных, промежуточных и результирующих показателей каждого уровня, а построение обобщенного показателя сводится к задаче минимизации множества математических моделей, то сформулированную задачу, согласно методологии системных исследований, необходимо решать поэтапно. С целью реализации методики синтеза иерархической структуры показателей эффективности системы противодействия угрозам информационной сферы воспользуемся системным подходом, а элементы множества Z представим в виде:
, (1)
где: - обозначение - го показателя;
- глубина охвата контролем СПУИС, применительно к - му показателю;
- иерархический номер в структуре показателей СПУИС;
- показатель, характеризующий глубину контроля СПУИС.
В работе произведено иерархическое ранжирование соответствующих свойств системы функциональной стабильности. Определено, что показатели первого уровня отражают самую низкую степень, позволяющую использовать их в качестве исходных при синтезе её структуры.
Установлено и оценено качество контроля средствами СПУИС выполнения собственных функций, когда время реагирования не превышает предельно допустимой величины, что соответствует второму уровню иерархии и является обобщённым критерием для показателей первого уровня.
. (2)
Ввиду того, что является случайной величиной, а обобщённый критерий второго уровня, характеризуется вероятностью события, когда средства СПУИС своевременно реализуют свои функции, представляющие собой среднее количество ситуаций, в течении интервала времени ее эксплуатации, относительно общего числа таких ситуаций:
, (3)
;
- время реализации m-ой функции контроля по противодействию - ой, , угрозе функциональной стабильности информационной сфере; - время h - ой угрозы при использовании m-ой функции контроля и противодействия; - общее число угроз функциональной стабильности информационной сфере на определённом временном интервале.
Критерии, характеризующие вероятности нарушения целостности информации описываются на третьем уровне. Показатели критериев данного уровня обобщают функции контроля средств СПУИС, связанные с предупреждением условий появления угроз, поиском, обнаружением и обезвреживанием как самих угроз, так и их источников, а также с восстановлением информации после воздействия угроз. Вероятности определяются степенью обеспечения устойчивости информационной сферы к нарушению функциональной стабильности ИС КВО. Функции контроля средств СПУИС по обеспечению устойчивости информационной сферы к нарушениям целостности информации и функциональной стабильности оцениваются вероятностью противодействия нарушению соответствующего уровня состояния информации, которая является функцией от вероятностных характеристик средств СПУИС, применительно к отдельным источникам угроз и их действиям, т.е. от показателей второго уровня иерархической структуры: автоматизация управление документированная моделирующая
, (4)
- множество показателей эффективности средств СПУИС, выраженные в вероятностной форме, соответствующего уровня обеспечения ею функционального контроля применительно к отдельным источникам угроз, их действиям и этапам проявления.
Критерий характеризует интегральное свойство корпоративной сети и описывается на четвертом уровне, который является вероятностью предотвращения ущерба функциональной стабильности СПУИС и информационной сфере в целом. Данный критерий характеризует защищенность основных состояний информации. Вероятность предотвращения ущерба в целом является функцией от вероятностных характеристик функций контроля и обеспечения целостности информации средствами СПУИС:
, (5)
где - множество вероятностных характеристик показателей эффективности СПУИС соответствующего уровню иерархии.
Таким образом научная концепция решения проблемы заключается в разработке совокупности теоретических положений и методов, обеспечивающих поэтапное решение задачи на основе сформулированных правил, что в отличие от известных методов произвести унификацию математического аппарата исследования и минимизировать набор математических моделей при выводе обобщенного критерия функциональной стабильности, позволяющего произвести оптимальный выбор СПУИС.
В третьей главе представлены теоретические положения функционирования информационных систем критически важных объектов, и в частности, функционирование СПУИС как их составная часть. Введена концептуальная модель и системная классификация способов функциональной дестабилизации, рассмотрены системные аспекты информационного взаимодействия в конкретной среде, разработана концептуальная модель функционально стабильной архитектуры АКУ КВО, разработана методика выбора и на её основе осуществлён обоснованный выбор типовой СПУИС.
Установлено, что концептуальная модель базируется на переходе от матричной модели к графовой форме и затем к формальному представлению в математической форме.
На основе анализа особенностей построения и функционирования системы противодействия угрозам информационной сферы в ИС АКУ КВО в качестве приоритетной принята система априорной защиты информационной сферы, носящая превентивный, упреждающий характер. Выявлена необходимость создания в структуре системы обеспечения функциональной стабильности подсистем мониторинга информационного пространства, системы передачи и обработки документированной информации.
Разработан математический инструментарий для аналитического описания СПУИС в виде кортежа выполняемых процедур, которые описаны матрицей вероятностей переходов. То есть процедура противодействия угрозам функциональной стабильности определяется как кортеж:
,
в котором: - обозначение н-ой процедуры; - множество, реализующее н-ую процедуру; - длительность н-ой процедуры противодействия, представляемая в виде кортежа. На множестве процедур определяется отношением зацепленности между ними, которые описываются матрицей вероятностей переходов , определяющей порядок следования процедур. В качестве геометрического эквивалента матричного описания отношений представляется ориентированный граф:
,
в котором вершины - это функции, а дуги - отношение между функциями. Смена состояний описывается матрицей переходных состояний для каждой реализации модели, что даёт время выполнения процедуры конкретной реализации:
,
- время выполнения функции , q-ой реализации модели.
Это позволяет произвести экспериментальное исследование по определению величины интегрального показателя эффективности СПУИС.
Методика оценки и выбора типовых СПУИС для комплектования ИС АКУ КВО заключается:
в выборе типовых рекомендованных вариантах СПУИС из множества;
в формировании иерархической структуры показателей эффективности СПУИС;
в формальном описании процедур обеспечения функциональной стабильности критически важных сегментов автоматизированной системы;
в экспериментальном исследовании возможностей обобщённого показателя оценки противодействия угрозам функциональной стабильности критически важным сегментам информационной системы;
в осуществлении обоснованного выбора СПУИС на основе величины интегрального показателя.
Выбор типовых систем противодействия угрозам информационной сферы произведён согласно разработанной методики.
В четвёртой главе исследована специфика функционирования и формирования корпоративной и локальной сетей автоматизированных комплексов управления критически важных объектов на основе системной парадигмы информационного взаимодействия в условиях дестабилизирующих факторов, с учётом методологии существующих угроз.
Определены условия снижения себестоимости работ по проектированию и внедрению корпоративной, а также локальной сетей на базе оптимизации методов сохранения функциональной стабильности информационной системы. Данные условия обеспечиваются использованием полностью закрытых подсетей с архитектурой "клиент-сервер", основанной на Web-технологии. Дан научно обоснованный вывод об инвариантности пропускной способности автоматизированного ООДИ к колебаниям нагрузки за счет объединения локальных сетей каналами связи с высокой пропускной способностью напрямую через высокопроизводительный маршрутизатор, мост или коммутатор, а соединение через опорную глобальную сеть Internet использовать в качестве резервного канала. Такое построение корпоративной сети будет обладать высокой живучестью и эксплуатационной надежностью, по сравнению с существующей системой, как показано на рисунке 3.
Разработана общая структура корпоративной сети КВО на основе выбранных наиболее значимых критериев, с учётом общих принципов построения информационных систем. Особенностью построения локальной сети КВО является необходимость на канальном уровне модели OSI подключения коммутаторов, что позволяет подключить к своим портам отдельные компьютеры, а также распределить подключенные компьютеры по сетевым сегментам и легко перегруппировать их в случае необходимости, что повышает надёжность функционирования сети. В результате появляется возможность территориального перемещения компьютеров сети при сохранении своих мест в логической сетевой структуре, что особенно важно для автоматизированных систем ООДИ КВО. Установлена необходимость создания отдельных разделенных сегментов локальной сети КВО на базе аппаратно-программного обеспечения, обеспечивающих приём и обработку информации, что позволяет отделить свою логическую структуру от физической.
Обоснована необходимость организации связи через открытую сеть Internet по VPN туннелю с применением симметричных и ассиметричных протоколов шифрования для исключения возможности перехвата содержания информации через нетрадиционный информационный канал, что обеспечивает высокий уровень критерия функциональной стабильности системы. Использование параллельных каналов с резервированием позволяет повысить такие критерии как производительностью и достоверность.
Размещено на http://www.allbest.ru/
В результате на рисунке 4 представлена структурная схема корпоративной сети автоматизированного комплекса управления КВО полностью удовлетворяющая требованиям ФСТЭК, предъявляемым к автоматизированным ИС КВО.
В пятой главе изложены принципы построения адаптивных ИС КВО: раскрыты механизмы адаптации, аналитические оценки качества канала связи и технические решения по реализации выбранных принципов адаптации, которые защищены патентами.
Произведён анализ способов оценки качества канала связи в автоматизированных системах ООДИ КВО и возможности адаптации к различным помехам при использовании параллельных каналов связи.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Установлено, что в некоторых ситуациях требования к старению информации столь высоки, что даже аппаратура с решающей обратной связью с автоматическим переключением на резервный канал не в состоянии их удовлетворить. В таких случаях использование для передачи информации одновременно нескольких каналов разнесенных географически дает желательный эффект. Это не только повышает скорость передачи информации, но и существенно увеличивает достоверность при использовании синхронного сложения принимаемой информации.
Разработаны принципы адаптации с автоматическим переключением аппаратуры с решающей обратной связью на резервный канал связи:
первый - основан на резервировании канала передачи данных и автоматическом переключении на резервный канал, при ухудшении качества основного канала ниже заданной нормы;
второй - на передаче одной и той же информации по двум параллельным каналам.
Разработана логика и программа автоматического переключения основного канала связи на резервный по четырём вариантам.
Переключение аппаратуры РОС на резервный канал, может выполняться, как при полном подавлении рабочего канала, так и при снижении его пропускной способности ниже заданной нормы. При этом предполагается, что оба канала (основной и резервный) дуплексные и оборудованы специальными устройствами переключения.
Для реализации разработанной программы автоматического переключения основного канала связи на резервный разработано на уровне технического решения устройство автоматического переключения каналов связи, обладающего новизной и оформленного патентом.
В шестой главе разработаны теоретические основы синтеза информационных систем КВО, основанные на исследовании таких критериев как: вероятность правильного (ложного) приёма информации - (Q1,2), вероятность обнаруженной (необнаруженной) ошибки - (РО, НО), вероятность искажения в канале - - используем как заданную величину. Построение моделей частных адаптивных алгоритмов основано на последовательном эквивалентном преобразовании графовой модели в математическую (аналитическую), на основе которой исследуется эффективность функционирования адаптивных алгоритмов в различных условиях обстановки. Разработанные алгоритмы защищены патентами.
На уровне технических решений разработаны структурные схемы устройств в режимах: повышения скорости работы, при заданной достоверности принимаемой информации (режим "А"); повышения достоверности принимаемой информации при заданной скорости работы (режим "Б"); и комплексном режиме при одновременном повышении скорости и достоверности приёма информации (режим "В"). Технические решения, реализующие эти частные адаптивные алгоритмы, защищены патентами.
Разработаны методы выравнивания запаздывания сигнала в параллельных каналах связи, а также на уровне технического решения устройства, реализующего этот метод, которое защищено патентом.
На основании выявленных наиболее значимых критериев эффективности функционирования ИС КВО таких как, производительность и достоверность информации, произведена оптимизация показателей, характеризующих данные критерии, путём разработки комплекса частных адаптивных алгоритмов.
Для оценки эффективности частных адаптивных алгоритмов разработаны математические модели в виде вероятностных графов состояний системы, которые описаны аналитическими выражениями.
Для режима "А" разработан вероятностный граф, показанный на рисунке 5, который описывается аналитическими выражениями, где: - вероятность правильного приёма комбинации; - вероятность обнаруживаемой ошибки; - вероятность не обнаруживаемой ошибки.
Вероятность перехода системы в режим запроса определяется:
. (7)
Вероятность вывода без ошибки будет:
. (8)
Размещено на http://www.allbest.ru/
Для режима "Б" разработан вероятностный граф, показанный на рисунке 6, который описывается аналитическими выражениями.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вероятность правильного вывода информации:
. (9)
Вероятность вывода информации с ошибкой определяется как:
. (10)
Вероятность постановки системы в режим запроса можно вычислить по формуле:
. (11)
Для режима "В" разработан вероятностный граф, показанный на рисунке 7, который описывается аналитическими выражениями.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вероятность правильного вывода информации:
. (12)
Вероятность выдачи получателю информации с ошибкой определяется:
. (13)
Вероятность постановки системы в режим запроса:
(14)
В таблице 1 приведены расчёты выходных характеристик разработанных частных адаптивных алгоритмов.
Таблица 1 - Выходные характеристики ЧАА
|
Показатель качества канала связи |
РВВ |
РЛВ |
РЗК |
|||||||
|
"А" |
"Б" |
"В" |
"А" |
"Б" |
"В" |
"А" |
"Б" |
"В" |
||
|
низкий |
0.98 |
0,72 |
0,98 |
1,1·10-3 |
3,9·10-9 |
3·10-4 |
2,25·10-2 |
0,3 |
3,5·10-2 |
|
|
средний |
0,99 |
0,9 |
0,99 |
10-4 |
3,9·10-11 |
10-5 |
3,5·10-3 |
0,16 |
6·10-3 |
|
|
высокий |
0,999 |
0,99 |
0,999 |
2·10-5 |
3,9·10-13 |
10-7 |
6·10-5 |
0,02 |
2·10-4 |
Исследования показали, что первый режим хорошо зарекомендовал себя на каналах достаточно удовлетворительного и низкого качества (Р=5•10-3-1,5•10-2). Тогда обеспечивается приемлемая вероятность достоверности Рвв=0,9764-0,9974 и высокая скорость работы за счет уменьшения вероятности простоя системы в режиме запроса Рзк=3,5•10-3-2,25•10-2.
Второй режим повышения достоверности целесообразно использовать на каналах достаточно хорошего качества, когда Р =5•10-4. Расчеты показали, что в этом случае вероятность достоверности информации составляет Рвв=0,9898, при незначительных простоях системы в режиме запроса Рзк=0,02. Следовательно, этот режим будет эффективным в повседневных условиях работы органа по обработке документированной информации.
И наконец, третий режим будет достаточно хорошо работать как на каналах хорошего качества Р=5•10-4, так и низкого качества Р=1,5•10-2. Он обеспечивает высокую достоверность принимаемой информации и скорость передачи. Например, при Р=5•10-4 Рвв=0,9998, Рзк=2•10-4, а при Р=1,5•10-2 Рвв=0,9755, Рзк=3,5•10-2. Следовательно, он будет одинаково эффективно работать в повседневных условиях и при резких колебаниях нагрузки в период кризисных ситуаций, а также в каналах различного качества.
В седьмой главе на основе системной парадигмы информационного взаимодействия разработаны теоретические основы синтеза ИС КВО на базе типового программно-моделирующего комплекса (ПМК), включающие в себя динамические математические модели функционирования подсистем и ПМК в целом, что позволило осуществить структурную оптимизацию.
Построение моделей подсистем основаны на последовательном преобразовании графов состояний подсистем в математическую форму функционирования ПМК, на основе системного подхода к иерархическому разбиению ПМК на взаимосвязанные подсистемы.
Приведенное на рисунке 8 иерархическое разбиение ПМК вписывается в следующие три уровня иерархии:
а) подсистема автоматизированных рабочих мест;
б) подсистема коммутатор-сервер;
в) подсистема входных устройств.
Подсистема автоматизированных рабочих мест находится на высшей ступени иерархии и обобщенным критерием эффективности на этом уровне выбирается время обработки информации, не превышающее заданного интервала: .
Подсистема коммутатор-сервер находится ниже и включает в себя коммутатор и сервер ООДИ. Очевидно, пропускная способность данного уровня будет влиять на пропускную способность вышестоящей подсистемы. Поэтому, согласно системного подхода, на этом уровне в качестве обобщенного критерия выбрана пропускная способность 2, которая в качестве независимой переменной входит в математическую модель вышестоящего уровня.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Следующей, самой низшей, подсистемой иерархической цепи является подсистема входных устройств. Она включает в себя мультиплексор передачи данных (МПД) и маршрутизатор. Как и в предыдущем случае в качестве обобщенного критерия этого уровня выбрана пропускную способность 1. Этот критерий, в свою очередь, входит в качестве независимой переменой в математическую модель вышестоящего уровня.
Таким образом, указанные критерии эффективности, можно расположить по иерархическому принципу, как показано на рисунке 8. Ромбом на рисунке обозначены критерии эффективности, соответствующих уровней иерархии (л - пропускная способность ; - среднее число заявок в очереди ; - среднее время ожидания заявки в очереди ; - среднее время обслуживания в устройствах ) а окружностями - математические модели функционирования подсистем.
Согласно системному подходу критерии эффективности должны быть связаны функциональными зависимостями, представляющими собой аналитические модели функционирования подсистем и ПМК в целом. То есть комплект математических моделей ПМК должен строиться таким образом, чтобы модели и критерии периодически чередовались между собой: модель - критерий - модель - критерий и так далее.
ПМК можно описать последовательной ''n''-фазой системой массового обслуживания. Результат деятельности отдельных подсистем ПМК может быть представлен временными и вероятными по форме величинами, характеризующими степень решения каждой подсистемой связи специфических задач по отношению ко всему комплексу в целом. В соответствии с целевым предназначением подсистем ПМК, на их собственном уровне в качестве частных критериев могут быть использованы различные вероятностные или константные величины.
При построении динамической модели функционирования ПМК необходимо учесть, что она является потоковой и поэтому должна отражать влияние входного потока на эффективность системы в целом. При помощи системного подхода найдем аналитическое описание рассмотренных выше подсистем ПМК.
Для нахождения общего времени обработки информации были сформулированы и математически описаны критерии, характеризующие пропускную способность, представленных на рисунке 8, подсистем и ПМК в целом.
Формально эта задача описывается m-канальной ''чистой'' системой массового обслуживания, на вход которой поступает простейший поток заявок с плотностью , равной среднему числу сообщений, поступающих в единицу времени. Длина очереди и время пребывания в ней не ограничены, предполагается также, что каждый канал может обслуживать только одну заявку, а каждая заявка обсуживается только одним каналом. То есть для каждой из подсистем можно построить размеченные ориентированные графы, которые достаточно просто описываются дифференциальными уравнениями состояний системы.
Проинтегрировав систему дифференциальных уравнений при начальных условиях ; ; (i>0) и устремив , получим предельные вероятности состояний, преобразовав которые с помощью таблиц Пуассоновского распределения к виду, удобному для расчетов можно получить выражения для расчётов среднего числа заявок в очереди, среднего времени ожидания заявки в очереди и пропускной способности подсистем и системы в целом.
Для подсистемы входных устройств:
(15)
(16)
(17)
Показатели (15) - (17) являются внутренними характеристиками подсистемы, позволяющими оценить технические возможности отдельных устройств и подсистемы в целом. А в качестве обобщенного критерия выступает пропускная способность подсистемы , которая определяется производительностью МПД. МПД имеет m однотипных адаптеров с производительностью . Следовательно, максимальная производительность МПД может быть равна . А производительность МПД с учетом плотности потока заявок: . Следовательно, пропускная способность подсистемы обмена информацией оценивается критерием (к 2.1.3):
(18)
Для подсистемы коммутатор-сервер:
(19)
.
(20)
. (21)
Для подсистемы автоматизированных рабочих мест:
В качестве показателя обобщенного критерия, на этом этапе, выступает время обработки сообщения в ПМК, которое не должно превышать заданный критерий :
. (24)
Указанный критерий позволяет количественно оценить эффективность ПМК в целом, так как является аналитическим описанием комплекса с учетом всех его основных характеристик и динамики функционирования:
, (25)
среднее время устранения общих искажений-
среднее время считывания и корректировки обработанного текста по экрану дисплея-
Параметры определяются техническими возможностями соответственно адаптера канала, АОИ и принтера, а параметры и зависят от квалификации и опыта работы оператора. Параметр полностью определяется техническими возможностями комплекса и поэтому служит переменной величиной, по которой оптимизируется обобщенный показатель .
На основе разработанной математической модели проведено имитационное моделирование и оптимизация структуры ПМК на основе многошагового итерационного процесса.
В восьмой главе произведена оценка эксплуатационной и экономической эффективности разработанного автоматизированного комплекса управления КВО, рассмотрены системные аспекты полученных выигрышей с точки зрения точности структуризации частных критериев по таким наиболее важным критериям как достоверность, производительность и надёжность функционирования ИС КВО.
Для оценки точности разработанного в диссертации метода структуризации показателей эффективности СПУИС применена методика, характеризующая влияние частных показателей на обобщаемый показатель. Известные методы структуризации частных показателей, основанные на применении качественной шкалы, как минимум на два порядка уступают точностным характеристикам, основанных на разработанных в диссертации вероятностных показателей.
Для оценки достоверности принимаемой информации введено понятие "потеря достоверности" (КПД), которое определятся как отношение числа искаженных комбинаций к общему числу переданных комбинаций и характеризующегося критерием - потери достоверности ,
Для характеристики системы с точки зрения оперативности передачи информации, введено понятие коэффициента использования канала (Кик), который определяется вероятностью передачи по каналу связи только полезной информации и характеризуется критерием - коэффициентом использования канала .
Зависимость и oт качества канала иллюстрируется графически на рисунке 9.
Сравнительный анализ трёх разработанных режимов работы устройств параллельной работы (УПР) показывает, что коэффициент использования канала при работе аппаратуры РОС по двум параллельным каналам в режимах "А" и "В" значительно выше, чем при работе по одному каналу. При этом потери достоверности в режиме "А" в два раза, а в режиме "Б" на два порядка становятся меньше.
В режиме "Б" коэффициент использования канала значительно ниже, чем в обычных системах РОС, но потери достоверности становятся почти на восемь порядков меньше.
Таким образом, из графика видно, что УПР существенно повышают достоверность и скорость передачи информации по сравнению с обычными системами РОС. Наиболее оптимальным режимом работы системы является режим "В", когда с повышением достоверности, намного возрастает и скорость передачи информации. Наличия режимов "А" и "Б" расширяют возможности применения системы и дадут наибольший эффект при использовании их в различных условиях обстановки.
Критерий надёжности системы передачи данных оценивается по коэффициенту готовности , который характеризуется вероятностью того, что изделие окажется работоспособным в любой произвольно выбранный момент периода эксплуатации. Причём, в нашем случае, коэффициент готовности характеризуется только критерием времени наработки на отказ и временем восстановления .
...Подобные документы
Жизненный цикл автоматизированных информационных систем. Основы методологии проектирования автоматизированных систем на основе CASE-технологий. Фаза анализа и планирования, построения и внедрения автоматизированной системы. Каскадная и спиральная модель.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 20.11.2010Общая характеристика автоматизированных информационных систем (АИС), их состав и структура, основные принципы. Качество АИС как одна из составляющей ее успешной реализации. Место АИС в контуре системы управления объектом. Сложности внедрения АИС.
презентация [300,1 K], добавлен 14.10.2013Анализ структуры и управления предприятием. Функции, виды деятельности, организационная и информационная модели предприятия, оценка уровня автоматизации. Перспективы развития автоматизированных систем обработки информации и управления на предприятии.
отчет по практике [243,3 K], добавлен 10.09.2012Особенности основных, вспомогательных и организационных процессов жизненного цикла автоматизированных информационных систем. Основные методологии проектирования АИС на основе CASE-технологий. Определение модели жизненного цикла программного продукта.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 20.11.2010Основные цели и задачи построения систем распознавания. Построение математической модели системы распознавания образов на примере алгоритма идентификации объектов военной техники в автоматизированных телекоммуникационных комплексах систем управления.
дипломная работа [332,2 K], добавлен 30.11.2012Создание и организация автоматизированных информационных систем (АИС). Основные компоненты и технологические процессы АИС. Стадии и этапы создания АИС с позиции руководства организации. Разработка комплексов проектных решений автоматизированной системы.
реферат [286,6 K], добавлен 18.10.2012Задача накопления, обработки и распространения информации. Характеристика систем управления. Схема комплекса средств автоматизации. Функционирование АСУ комплекса средств автоматизации. Требования, предъявляемые к АРМ РД. Структура базы данных.
реферат [29,1 K], добавлен 12.06.2009Автоматизированные системы управления как организационно-техническая система, обеспечивающая выработку решений на основе автоматизации информационных операций и процессов, их специфика, структура, сферы применения. Надежность и отказоустойчивость систем.
контрольная работа [25,8 K], добавлен 10.02.2011Виды обеспечения автоматизированных информационных систем. Составление технического задания, разработка информационной системы, составление руководства пользователя к программе. Средства программирования распределенных систем обработки информации.
отчет по практике [1,1 M], добавлен 16.04.2017Теоретико-методологические основы моделирования интеграционных экспертных систем. Направления повышения эффективности адаптивных систем обнаружения сетевых аномалий. Математическая реализация модели адаптивных систем обнаружения сетевых аномалий.
дипломная работа [5,1 M], добавлен 03.01.2023Рассмотрение приемов разработки программных средств для автоматизированных систем обработки информации и управления. Разработка программного продукта, предназначенного для автоматизации работы заместителя директора по учебно-воспитательной работе.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 27.02.2015Принципы классификации управленческих информационных систем. Особенности информационных систем управления в государственных структурах. Средства автоматизации и хранения информации. Модернизация системы электронного документооборота казначейства.
дипломная работа [454,5 K], добавлен 20.09.2013Принципы организации системы, состоящей из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности. Проектирование корпоративных автоматизированных информационных систем. Структура, входные и выходные потоки, ограничения автоматизированных систем.
презентация [11,3 K], добавлен 14.10.2013Методы организации процесса обработки информации; основные направления реализации внутримашинного информационного обеспечения. Принципы построения и эффективного применения технологий баз и банков данных как основных компонентов автоматизированных систем.
дипломная работа [186,8 K], добавлен 30.05.2013Система "человек-машина" для автоматизированного сбора и обработки информации. Два вида информационных систем: информационно-справочные (пассивные) и информационно-советующие (активные). Критерии и подходы к классификации для управляющих сложных систем.
реферат [21,3 K], добавлен 27.02.2009Эволюция технического обеспечения. Основные требования, применение и характеристики современных технических средств автоматизированных информационных систем. Комплексные технологии обработки и хранения информации. Создание базы данных учета и продажи.
курсовая работа [127,1 K], добавлен 01.12.2010Методы и алгоритмы построения инструментариев для разработки систем управления проектами посредством Web интерфейса. Составление модели обработки информации "как должно быть". Годовой экономический эффект и прочие показатели экономической эффективности.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 28.09.2015Классификация информационных систем. Использование баз данных в информационных системах. Проектирование и реализация информационной системы средствами MS Access. Анализ входной информации предметной области и выделение основных информационных объектов.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 09.08.2012Организационные основы защиты информации на предприятии. Общие принципы построения систем контроля и управления доступом. Виды запирающих устройств. Аппаратура и материалы, методика и порядок выполнения работы. Базовое программное обеспечение проекта.
дипломная работа [4,7 M], добавлен 30.06.2011Понятие информации, автоматизированных информационных систем и банка данных. Общая характеристика описательной модели предметной области, концептуальной модели и реляционной модели данных. Анализ принципов построения и этапы проектирования базы данных.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 18.01.2012
