Методический подход к оценке эффективности систем управления связью при ограничении ресурса в режиме информационного конфликта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методический подход к оценке эффективности систем управления связью при ограничении ресурса в режиме информационного конфликта

JSC «Concern «Sozvezdie», Voronezh, Russian Federation

Abstract. Proposed the methodology for determining the probability of implementing the target function of a telecommunications complex management system by analyzing the dynamics of changes in the probability of information in their environment and the corresponding consumption of an information resource.

Keywords: information conflict, the probability of the implementation of objective function, information resource, balance.

Для существующих в настоящее время автоматизированных систем управления тактического звена, а также для систем управления, находящихся в стадии разработки, характерно слияние функций управления подсистемой связи и информационного обмена с функциями подсистемы боевого управления и принятия решений. Вследствие этого, по мнению ряда специалистов [1-4], целесообразно рассматривать такие комплексы как единую информационно-управляющую систему (ИУС), в которой функции и процедуральные компоненты информационных и информационно-управляющих подсистем граничат с аналогичными компонентами подсистем связи и обмена данными.

В процессе функционирования такая ИУС синтезирует наряду с преобразованным в линейный код сигналом и служебные посылки унитарных кодов, обеспечивающих изменение параметров и режимов информационного обмена в соответствии с меняющимися условиями функционирования. Кроме того, поддерживают режим централизованного управления, реализация которого позволяет исключить выходящие за пределы декларированных унитарные коды, а в случае приема последовательности, приводящей к нерегламентированным действиям или решениям, - нейтрализовать их путем коррекции протокола.

Однако наряду с происхождением конфликтного компонента за счет естественных ошибок приема/передачи в настоящее время все большее распространение получают искусственно синтезированные конфликтные компоненты, которые одновременно воздействуют как на низшем уровне (уровень обработки сигнала), так и на высшем уровне (уровень системы управления в целом). Применение таких воздействий направлено на снижение устойчивости функционирования ИУС (информационной устойчивости), что приводит к снижению качества боевого управления или, в худшем случае, к полной потере управления войсками и силами.

Поэтому особый интерес представляет разработка методологии оценки эффективности программных воздействий на систему управления (в рассматриваемом контексте - информационно-управляющую систему) тактического звена с целью повышения надежности боевого управления своими войсками и силами в условиях воздействий со стороны противника, а также для формирования собственных воздействий на аналогичные системы противника. По мнению авторов, такая методология должна строиться с учетом общих принципов построения и функционирования ИУС, а также использовать формализм, основанный на исследовании изменения вероятности реализации целевой функции ИУС в процессе конфликтного взаимодействия с учетом распределения информационного ресурса ИУС.

Методический подход к оценке эффективности программных воздействий на ИУС тактического звена

Принципы построения и функционирования ИУС и их элементов неоднократно рассматривались в известных работах [3-5], при этом в качестве базовых выделялись:

? принцип иерархии построения и функционирования системы, в соответствии с которым целевая функция низшего элемента системы должна быть согласована с целевой функцией высшего элемента;

? принцип единства форматов при информационном обмене;

? принцип соответствия информационного ресурса требуемому для решения поставленной задачи на каждом уровне;

? принцип динамического распределения информационного ресурса системы, в соответствии с которым ресурсы, выделяемые для решения задач ИУС, распределены по динамически изменяемой таблице приоритетов в зависимости от важности задачи в данный момент времени.

При этом в качестве основного рассматривается принцип единства системы, в соответствии с которым все компоненты ИУС образуют неразделяемое целое - систему, реализующий свою целевую функцию с условным выделением частных целевых функций отдельных элементов. Любая реакция в ИУС синтезируется по схеме:

сигнал

преобразованная форма

процессорная обработка

первичная форма ответа

преобразование к формату выхода

сигнал.

Формально эта схема может быть представлена рекуррентным соотношением значения сигнала датчика , фиксирующего k-е свойство i-го объекта на j-м шаге функционирования:

,

управление связь информационный

где w - параметр свойства объекта, - изменение свойства, - вероятность влияния системы управления на свойства объекта, D - фактор собственного изменения свойств объекта в соответствии с решаемой центральной задачей и целевой функцией.

Необходимо отметить универсальность приведенного соотношения:

? при реализуется случай, когда центральной задачей ИУС является выработка оптимального поведения (стратегии) собственного функционирования при независимом поведении объекта взаимодействия (адаптация), в этом случае ИУС синтезирует некоторую дискриминационную (рабочую) поверхность ; в соответствии с выбранной стратегией и изменением делается попытка на j-м шаге реализовать оптимальную траекторию движения рабочей точки на этой поверхности;

? при хотя бы при одном наборе i, j, k ИУС решает задачу нахождения оптимального воздействия на объект;

? в качестве объекта может выступать другая ИУС, при этом в первом случае реализуется независимое функционирование двух систем, а во втором - взаимодействие (в том числе конфликтное) ИУС в общем информационном пространстве.

Учитывая, что центральной задачей (проблемной ориентацией) ИУС является управление (влияние на свойства) объектом или другой ИУС, то величина представляет собой вероятность реализации целевой функции этой системы. Целевая функция при этом понимается как проблемно ориентированная операция, позволяющая на рассматриваемом уровне обработки (преобразовании) информации получить результирующий компонент, который, в свою очередь, может быть использован как исходный для целевой функции следующего уровня. В общем случае под целевой функцией можно понимать совокупность алгоритмов или формализованных правил получения решения для обработки входного потока данных и управления базами данных и знаний, реализуемых конкретной ИУС.

Предлагаемая в работе методология оценки эффективности программных воздействий на ИУС тактического звена основывается на исследовании изменения вероятности реализации целевой функции рассматриваемой системы в процессе конфликтного взаимодействия с конкурирующими ИУС в общем информационном пространстве.

В соответствии с определением самого понятия информация [6] целесообразно рассматривать взаимодействие ИУС на трех уровнях: сигнальном, семантическом и прагматическом.

1. Сигнальный (аппаратный, интерфейсный) уровень определяется процедурами передачи, приема и обработки сигнала по энергетическим признакам. Для этого уровня наиболее характерны процедуры первичной обработки сигналов, формально представляемые преобразованием аналогового потока , сформированного i-м объектом (или ИУС), в цифровой сигнал оператором преобразования в цифровую форму:

,

где - мультипликативная составляющая искажающего воздействия на передаваемый сигнал, - аддитивная составляющая искажающего воздействия.

Реализуемые на этом уровне информационные технологии, как правило, консервативны [8], а входы/выходы элементов сопряжены или непосредственно с исполнительными устройствами (мульдемы, кодеки и т.п.), или с информационными системами более высокого уровня (автоматизированные системы картографирования и т.п.).

2. Семантический (программно-информационный) уровень определяется процедурами сопоставления сигнала его смысловой нагрузке (командам, данным). Выполняемые на этом уровне операции формально сводятся к выбору из упорядоченного множества унитарных кодов (например, команд процессора) последовательности в соответствии с цифровым кодом обрабатываемого сигнала

,

где m и n - сдвиг по шагам (дискретному времени) обработки сигнала в двух взаимодействующих системах или элементах системы (фазовое рассогласование).

Приведенный функционал определяет связь между принимаемым сигналом, его формализованными свойствами (параметрами) на последовательных этапах обработки (m и n) и сопоставленной ему последовательностью команд (блоков команд, программ). На этом уровне рассмотрения дискриминационная поверхность представляет собой плоскость в многомерном пространстве унитарных кодов, последовательность которых образует на этой плоскости траекторию, реализующую целевую функцию ИУС или ее элемента. При этом целевая функция k-го элемента (ИУС), реализуемая i-й траекторией рабочей точки в пространстве унитарных кодов на j-м шаге реализации может путем некоторого преобразования координат, отображающего эту траекторию в точку в новом пространстве, деформировать плоскость дискриминационной характеристики, образуя дискретное (в общем случае - многомерное) множество с центральной точкой, соответствующей центральной задаче системы.

Целевой (прагматический, управляющий) уровень определяется процедурами формирования решения и синтеза последовательности команд для реализации целевой функции. Фактически, на этом уровне решается задача синтеза управляющего воздействия с учетом пролонгации изменения свойств объекта воздействия, определение эффективности функционирования , а также выбор оптимальных характеристик воздействия на основе изменения свойств объекта при известном воздействии на него. Тогда процесс реализации целевой функции для решения центральной задачи на данном уровне можно формализовано представить в виде

,

где U - область унитарных кодов, общих для взаимодействующих систем.

На данном уровне используются алгоритмы оптимизации принимаемых решений и адаптация процедуры синтеза решений. С точки зрения оптимальной реализации конфликтного компонента ИУС, это выражается реализацией условия сохранения максимума реализации целевой функции при произвольном (в общем случае случайном) варьировании траектории движения рабочей точки по дискриминационной поверхности или ее случайной деформации

,

где - адаптирующая добавка, определяемая при условии максимального различия показателя эффективности конфликтующих систем, - функция управления k-м объектом или элементом.

Если рассматривать это выражение с точки зрения нейтрализации информационного конфликта (или исключения условий его возникновения) между элементами одной ИУС, тогда функция управления направлена на минимизацию различия целевой функции при расхождении целевых функций элементов. В этом случае существует оптимальное соотношение между минимизирующей функцией и диапазоном отклонений траектории реализации целевой функции. При отсутствии централизованного управления функция будет случайной и некоррелированной с аналогичной функцией для конкурента. В этом случае в полной мере реализуется информационный конфликт, связанный с распределением общих ресурсов в общем информационном пространстве.

На всех трех уровнях выполняются рекурсивные соотношения, связывающие состояние ИУС на предыдущих и последующем шаге:

На каждом шаге функционирования ИУС в режиме информационного конфликта переход системы из заданного начального состояния в требуемое конечное на каждом уровне рассмотрения осуществляется с некоторой вероятностью P, отличной от 1, в силу предполагаемой возможности реализации конфликтного компонента. Применительно к ИУС тактического звена это означает снижение качества боевого управления в результате программного подавления.

Вероятность реализации целевой функции ИУС является функцией начального и конечного состояний системы. Так, если начальное состояние ИУС есть (точка на дискриминационной поверхности системы), требуемое конечное состояние есть (другая точка дискриминационной поверхности), N - общее число траекторий, исходящих из точки (т.е. число существующих в системе реализаций целевой функции для соответствующего входного потока), n - число траекторий, проходящих через s (т.е. соответствующих требуемому выходному потоку), то вероятность реализации целевой функции будет определяться как предел

.

Изменения целевой функции могут быть следствием различных условий реализации конкурентных компонентов в информационной среде ИУС. Однако всю совокупность конфликтных взаимодействий можно условно разделить на два класса [7]. К конфликтам первого рода отнесены конфликты, приводящие к деформации дискриминационной поверхности за счет искажений входного потока данных и наличия в них специфических структур при неизменности вида целевой функции (траектории движения точки по дискриминационной поверхности). К конфликтам второго рода отнесены конфликты, приводящие к изменению вида целевой функции при неизменности входного потока данных, т.е. искажающие траекторию движения рабочей точки по неизменной дискриминационной поверхности.

Независимо от рода конфликта вероятности реализации целевых функций ИУС изменяются в процессе взаимодействия, при этом в строгом конфликте задачи конкурирующих ИУС состоят в сохранении (максимизации) вероятности реализации своей целевой функции с одновременным снижением соответствующего показателя противника. При этом соответствующие изменения вероятностей могут быть рассчитаны с помощью системы уравнений динамического изменения вероятностей [6, 7], имеющей следующий вид

, (1)

где PN(Xki,j) - текущая вероятность реализации N-й информационной системой своей целевой функции i-й последовательностью унитарных кодов для решения k-й задачи на основе j-й совокупности данных; P0,N(Xki,j) - исходная вероятность реализации своей целевой функции N-й информационной системой (или элементом); QN,m - вероятность доставки воздействия от m-й информационной системы к N-й; PN,S(Xvi,j) - вероятность ошибки реализации целевой функции N-й системой (компонентом) при воздействии i-й последовательностью унитарных кодов v-го типа информационного воздействия (программного подавления) при j-й последовательности (наборе) исходного массива; QN,R(…) - коэффициент восстановления информационной системы, определяющий количество пропускаемых реализаций целевой функции для восстановления исходного состояния P0,N(Xki,j) или заданного допустимого уровня.

Эта система уравнений определяет динамику конфликта, т.е. изменение вероятности реализации целевой функции каждого из составляющих ИУС элементов Xki,j, и должна применяться с учетом конкретного вида коэффициентов P(...), Q, Q(...) на каждом уровне представления информации.

Большинство реальных конфликтов носят характер «дуэльных ситуаций», в которых выделяется взаимодействие только двух ИУС. В этом случае можно связать в системе уравнений (1) величину PS, обусловленную воздействием конкурента, с вероятностью реализации его целевой функции, поскольку как реализация целевой функции, так и ее конфликтного компонента связаны с текущим состоянием системы. Тогда, в соответствии с (1), для конфликта двух информационных единиц можно записать

. (2)

Такой подход позволяет проследить динамику конфликтного функционирования ИУС при реализации программного подавления со стороны конкурента на всех трех уровнях представления информации с учетом конкретного вида коэффициентов P(...), Q, Q(...).

Для определения эффективности программного подавления целесообразно рассмотреть процесс реализации конфликтного компонента как некоторый процесс синтеза информации в соответствующем элементе ИУС (так называемой, «квазиинформации» [8]) при достоверности ph<1 (фактически, это вероятность отсутствия реализации воздействия, и поэтому она всегда меньше 1), которая синтезируется на основе ретроспективной информации с достоверностью ро=1 (например, реализация трафика в момент начала и при окончании передачи). При таком формализованном подходе для анализа процесса реализации конфликтного компонента достаточно выделить две его составляющие искажение информационной структуры воздействием и ее восстановление самой ИУС.

Далее подход основывается на рассмотрении трех математических моделей: модели объекта воздействия (элемента ИУС), модели фона (прочие элементы ИУС), модели управляющего локального и/или глобального элементов, а также представления контура ранжирования процессов в ИУС и формирования области индифферентности (нечувствительности) в системе [6]. В этом случае для формального представления процесса программного подавления требуется определить два вектора состояний Pkoi,j(S) и Pkfi,j(S), характеризующих состояние показателей объекта воздействия и фона соответственно. В общем случае в соответствии с системой уравнений (1) и ее частным случаем для дуэльного режима (2) эти векторы можно выразить через показатели состояний k-го объекта:

. (3)

Показатели и сами векторы в дальнейшем используются ИУС в качестве исходных данных для ранжирования целей в целевой функции с учетом основных Fko и дополнительных Fkf ресурсов системы, основных показателей объекта (или всей совокупности объектов). В этом случае с учетом весовых управляющих функций ik и ik можно записать уравнение ресурса системы:

, (4)

где R(...) информационный ресурс системы с собственной (k-го объекта) и связанными фоновыми составляющими; vi,j требуемый для реализации целевой функции объем статических и динамических ресурсов i-м элементом на j-м шаге реализации задачи; ik(...) и ik(...) весовые функции показателей и целей (фоновых ресурсов); q и частные показатели (относительные) частных целевых функций и фоновых задач.

Для дальнейшего рассмотрения целесообразно ограничиться случаем адаптивного воздействия, т.е. рассматривать процесс программного подавления как последовательное приближение к требуемому решению в соответствии с системой уравнений (2). В этом случае в качестве частного критерия оценки эффективности можно рассматривать расход информационного ресурса, который для процедур с мягким отказом будет характеризовать возможности поддержки определенного числа процессов со своими весовыми функциями. Тогда с учетом базового соотношения КоббаДугласа информационный ресурс, требуемый k-м объектом на j-м шаге функционирования для реализации своей целевой функции n элементами, можно представить в виде

, (5)

где ai,j = a i,j (i,j, i,j) весовой коэффициент элемента целевой функции, реализуемого на j-м шаге; V ресурс, требующийся для реализации целевой функции на j-м шаге функционирования; D суммарный ресурс n элементов на j-м шаге реализации целевой функции или ее компонента; L длина цикла реализации целевой функции; и коэффициенты перекрытия циклов по логической и цикловой переменным.

С учетом (2), можно записать на основе выражения (5) для компонентов V и D на каждом шаге реализации целевой функции взаимодействующих компонентов систему уравнений баланса ресурса и времени:

, (6)

где ik(…) и ik(…) управляющие весовые функции.

Таким образом, в зависимости от цели исследования процесса реализации конфликтного компонента (снятие конфликта без заметного уменьшения вероятности реализации целевой функции «своей» ИУС или его развитие для минимизации вероятности реализации целевой функции ИУС противника) требуется максимизировать или минимизировать критериальную функцию (при введении нормировки по области определения этой функции она будет равна вероятности реализации целевой функции на всем интервале существования решения системы уравнений (2)) вида

 (7)

при выполнении ограничений

, (8)

, (9)

где c и d ограничения на ресурсы управления и количественные (временные) параметры циклов реализации целевой функции. Эти ограничения всегда существуют для реальной системы и фактически отражают ее способность реализовывать за заданный интервал времени алгоритм обработки входного воздействия при заданных ресурсах дополнительных систем и/или алгоритмов других задач.

Для реальных ИУС необходимо дополнить полученные выражения уравнением баланса ресурса:

(10)

где w(n) общий информационный ресурс, требуемый для реализации целевой функции n элементами на j-м шаге ее реализации k-м объектом.

С учетом дополнения (10) эффективность программного подавления можно описать системой (7) - (10) при ограничениях (8) и (9) на основе обеспечения (в зависимости от поставленной задачи) условия

. (11)

Задача может быть одна, поскольку max{P} ? это 1min{P}.

Алгоритм решения задачи (11) в наиболее общем виде приведен в [6]. Он основан на составлении гамильтониана системы

, (12)

на основе которого получается сопряженная система

, (13)

, (14)

(15)

с граничными условиями

. (16)

С учетом этих граничных условий гамильтониан (12) и сопряженная система принимают вид

, (17)

, (18)

. (19)

Необходимо отметить, что, в соответствии с условием оптимальности системы управления, для уравнений (2) и, соответственно, уравнений (6) и (11) необходимо, чтобы для системы [(n), (n)] при ограниченном n выполнялось условие, при котором функция Гамильтона (12) в области определения достигала максимума. Для определения этого значения в [6] предлагается воспользоваться алгоритмом, который основан на градиентном методе оптимизации приращений целевой функции:

, (20)

, .

Откуда с учетом (13) получается

, (21)

, (22)

. (23)

Приведенный алгоритм определения эффективности программного воздействия имеет итерационный характер и для некоторой К-й итерации целевая функция отражает управляющее воздействие

.

Решая систему (2) с учетом (12) при приведенном выше заданном целевом управлении можно рассчитать К-е приближение {V, D}. Подставляя эти значения в (10) и опуская индекс К (которое полагается конечным) уравнение баланса ресурса можно представить в виде

. (24)

После этого необходимо определить К-е приближение решения сопряженной системы, которое приводится к виду [6]:

, (25)

, .

Далее несложно определить искажения градиента целевой функции при реализации конфликтного компонента, исходя из условия max{wk(N)}. Последнее выражение определяется на основе (20) при ограничениях (16).

Таким образом, проводя последовательные итерации по приведенному выше алгоритму можно получить значения искажения целевой функции или расход ресурса на компенсацию (нейтрализацию) воздействия, характеризующие эффективность программного подавления ИУС, которые будут характеризовать достижимые значения (т.е. оптимальные параметры) при условии

. (26)

Кроме этого, может быть использовано более слабое условие оптимальности получаемых значений, которое выражается через отсутствие изменений при вариации возмущения (информационного воздействия), т.е. когда

,

где оценка точности определения вероятности реализации целевой функции.

Таким образом, предложенный алгоритм позволяет оценить эффективность программного подавления конкретной ИУС тактического звена на основе исследования изменения параметров системы (вероятности реализации целевой функции и баланса информационного ресурса) при реализации конфликтного компонента.

Литература

3. Tolstykh N. N., Vlasov Yu. B, Nikolaev V. I., Tolstykh I. O., Chelyadinov Yu. V. Estimation of the potential hazard of data flows in the information and communication system. // Radio engineering, 2012. No 8. - Pp. 33-39.

4. Alferov A. G., Tolstykh N. N., Tolstykh I. O., Chelyadinov Yu. V. Formalized representation of an evolving information conflict in a telecommunication system. // Radio engineering, 2012. No 8. - Pp. 27-32.

6. Pavlov V. А. Formalized representation of the implementation of the conflict component in telecommunication systems. Proceedings of the scientific and technical conference «Radiolocation, Navigation and Communication», April 24 ? 26, 2001, Voronezh.

7. Pavlov V. А., Pavlov R. V., Tolstykh N. N. A generalized model of the process of functioning of automated systems in the mode of information conflict. // Information and Security, 1999. № 4.

8. Buslov S. D, Pavlov V. A., Sidorov Yu. V., Tolstykh N. N. Features of the analysis of informational conflict in automated systems. // Theory and technology of radio communications, 1999. Vol. 2

Размещено на Allbest.ru