Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, функционирующей в интересах разнородных, в том числе антагонистических, систем управления
METHOD FOR SIMULATION OF INTENTIONAL DAMAGES OF COMMUNICATION NETWORK ELEMENTS, FUNCTIONING IN INTERESTS OF DIFFERENT, INCLUDING ANTAGONISTIC, CONTROL SYSTEMS

Изобретение относится к области моделирования сетей связи и может быть использовано при проектировании сетей связи для оценки эксплуатационных показателей.
Предлагаемый способ может использоваться для прогнозирования при управлении организацией, система управления которой использует единый телекоммуникационный ресурс, одновременно с другими, в том числе антагонистическими системами управления, для определения надежности информационных направлений и определения поврежденных элементов сети связи.
Известен способ моделирования, реализованный в устройстве для моделирования отказов и повреждений в сложных системах [Гречишников Е.В., Любимов В.А., Поминчук О.В., Чемерис Г.В. Устройство для моделирования отказов и повреждений в сложных системах. Патент Российской Федерации №2292583, G06F 15/00, опубл. 27.01.2007 г.]. Способ заключается в определении начала очередной статистической реализации на время, соответствующее времени работы средства или комплекса связи, формировании потока отказов, при этом формируется первичный поток случайных импульсов, формируется равномерно распределенной случайное число, соответствующее номеру отказавшего элемента, выдается информация об отказавших элементах, о распределении отказов, о номерах отказавших элементов, формировании потока повреждений, при этом формируются случайно изменяющиеся во времени выходные напряжения, формируется случайное число, соответствующее номеру поврежденного элемента при другом, заданном, законе распределения, выдается информация о поврежденных элементах, о распределении повреждений, о номерах поврежденных элементов.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности моделировать процесс возникновения преднамеренных повреждений элементов сети связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи в условиях функционирования антагонистических систем управления, пользующихся единым телекоммуникационным ресурсом.
р
н
г
Известен способ моделирования отказов и повреждений сетей связи [Гречишников Е.В., Поминчук О.В., Иванов В.А., Шашкина Н.Е., Белов А.С. Способ моделирования отказов и повреждений сетей связи. Патент Российской Федерации №2351012, G06N 5/00, опубл. 27.03.2009 г.]. Способ заключается в нумерации средств, комплексов связи, линий (каналов) связи, при этом средства и комплексы связи нумеруются совместно от 1 до n, линии связи нумеруются от 1 до d, каналы связи нумеруются от 1 до k, далее осуществляемой имитации применения по назначению средств и комплексов связи, одновременно осуществляемой генерации времени возникновения эксплуатационных отказов, аварийных повреждений и сбоев средств и комплексов связи, а также генерации времени начала подавления линий (каналов) связи, определении начала очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы средства или комплекса связи, при этом формируется случайное число ζ, соответствующее номеру отказавшего элемента, формировании случайного числа λ, соответствующего номеру поврежденного элемента при заданном законе распределения, формировании случайного числа μ, соответствующего номеру средства связи, имеющего сбой программного обеспечения, а также определении начала очередной статистической реализации, на время Δt, соответствующее времени начала подавления линий (каналов) связи, при этом формировании случайного числа η, соответствующего номеру подавленной линии (канала) связи, далее осуществляемом розыгрыше степени повреждения и номера поврежденных средств и комплексов связи, розыгрыше продолжительности подавления и номера подавленных линий (каналов) связи, осуществлении записи времени нарождения средств и комплексов связи в неработоспособном состоянии, а также продолжительности подавления линий (каналов) связи, проверки факта наступления отказа, повреждения, сбоя средств и комплексов связи и подавления линий (каналов) связи, фиксации номеров поврежденных (отказавших) средств, комплексов и номеров подавленных линий (каналов) связи, проверке работоспособности средств и комплексов связи. Линий (каналов) связи, фиксации общего времени нахождения их в работоспособном состоянии Т, а также фиксации общего времени нарождения средств, комплексов, линий (каналов) связи в неработоспособном состоянии Т, подсчете коэффициента готовности К, осуществлении имитации восстановления средств, комплексов линий (каналов) связи.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности моделировать процесс возникновения преднамеренных повреждений элементов сети связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи в условиях функционирования антагонистических систем управления, пользующихся единым телекоммуникационным ресурсом.
р
н
г
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи [Войцеховский А.И., Белов А.С., Киселев А.А., Иванов В.А., Кривенцов О.Б., Мельнов А.И. Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи. Патент Российской Федерации №2449366, G06N 5/00, опубл. 27.04.2012 г.]. Способ-прототип заключается в нумерации элементов сети связи, генерации времени возникновения повреждений элементов сети связи, определении показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, расчете количества поврежденных элементов сети связи, розыгрыше номера поврежденного элемента сети связи с учетом показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, определении начала очередной статистической реализации на время Δt, соответствующего времени работы сети связи, проверке факта наступления события повреждения элементов сети связи, фиксации номеров поврежденных элементов сети связи, проверке технического состояния элементов сети связи, фиксации общего времени нахождения элементов сети связи в работоспособном состоянии Т, фиксации общего времени нахождения элементов сети связи в неработоспособном состоянии Т, расчете коэффициента готовности К,
Недостатком способа-прототипа является имитация преднамеренных повреждений в отношении всех элементов сети связи с учетом их структурной значимости. При этом структурная значимость элемента определяется только на основе показателя живучести всей сети связи, без учета функционирования заданных информационных направлений между элементами множеств разнородных, в том числе антагонистических, систем управления и используемых протоколов маршрутизации, что снижает адекватность моделирования. При функционировании заданных информационных направлений между элементами множеств разнородных, в том числе антагонистических, систем управления, использующих единый телекоммуникационный ресурс, могут быть задействованы одни и те же элементы сети. В отношении таких элементов имитация преднамеренного повреждения не адекватна реальности, поскольку система управления не будет выводить из строя элемент сети, который использует сама.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа-прототипа за счет исключения возможности преднамеренных повреждений элементов сети связи, использующихся антагонистическими системами управления одновременно, а также повышение адекватности моделирования.
m
Технический результат достигается тем, что в известном способе моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, заключающемся в том, что нумеруют элементы сети связи, определяют начало очередной статистической реализации, определяют показатель относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, генерируют время возникновения повреждений элементов сети связи, дополнительно задают интервал моделирования T, длительность шага модельного времени Δt, обслуживаемые системы управления, протокол маршрутизации, среднее время восстановления каждого элемента сети связи и среднеквадратическое отклонение, пороговое значение для отнесения элемента сети связи к множеству поврежденных, размещают элементы систем управления по элементам сети связи, строят маршруты для обслуживания информационных направлений систем управления, определяют элементы сети связи, используемые исследуемой системой управления и антагонистическими системами управления, запоминают элементы сети связи, используемые для обеспечения связи по каждому информационному направлению исследуемой системы управления, переопределяют структурную значимость хранящихся в памяти элементов сети связи с учетом их использования антагонистическими системами управления, ставят в соответствие структурную значимость элементов сети связи и вероятность их преднамеренного повреждения, выбирают хранящиеся в памяти элементы последовательно для каждого информационного направления, для выбранных элементов на каждом шаге модельного времени: генерируют преднамеренные повреждения, реализуемые антагонистическими системами управления, инициируют начало процесса восстановления неработоспособных элементов сети связи, если все выбранные элементы работоспособны, то увеличивают значение времени работоспособного состояния информационного направления на величину шага модельного времени, после окончания интервала моделирования рассчитывают коэффициент готовности информационного направления и выводят перечень неработоспособных элементов сети связи на каждом шаге модельного времени.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
"Промышленная применимость" способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие способ.
Заявленный способ поясняется чертежами:
фиг. 1 - блок-схема способа моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, функционирующей в интересах разнородных, в том числе антагонистических систем управления.
Реализовать заявленный способ предлагается в виде блок-схемы, показанной на фиг. 1.
В блоке 1 задают следующие исходные данные:
m
а) Задают интервал моделирования T - промежуток времени, в течение которого происходит процесс моделирования;
б) Задают длительность шага модельного времени Δt - период, с которым происходят итерации при функционировании модели. Способы задания длительности шага модельного времени известны и описаны в [Сухорукова Е.В., Закалкин П.В., Андреянов С.Н. Моделирование торговых бизнес-процессов: способы задания модельного времени // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2013. №1. С.104-109; Алисевич Е.А., Евграфов А.А., Нижегородов А.В., Стародубцев Ю.И., Сухорукова Е.В. Система моделирования динамических процессов. Патент на изобретение RUS 2541169, 26.02.2013].
в) Задают обслуживаемые сетью связи системы управления.
В соответствии с [Ермишян А.Г., Мокрый Ю.В., Сивак А.А., Цветинский О.В. Теоретический компонент современных информационных систем и технологий: Монография / Под общ. ред. доктора воен. наук, профессора А.Г. Ермишяна. СПб.: Санкт-Петербургский военный институт внутренних войск МВД России, 2013. 512 с., стр. 152.] термин «система управления» имеет следующие определения:
1. Система, обеспечивающая информационный обмен между органами и объектами управления по прямым и обратным каналам связи.
2. Система, способная к объединенным и управляемым действиям.
3. Целостная система, целеобусловленная своим назначением, задачами и функциями.
Информационный обмен между элементами системы управления осуществляется с использованием сети связи. Однако сеть связи функционирует в интересах многих потребителей, в том числе и других разнородных систем управления [Анисимов В.В., Бегаев А.Н., Стародубцев Ю.И., Сухорукова Е.В., Федоров В.Г., Чукариков А.Г. Способ целенаправленной трансформации параметров модели реального фрагмента сети связи. Патент на изобретение RUS 2620200, 23.05.2016].
Разнородные - 1. Имеющие иные, отличные свойства, признаки. 2. Неоднородные по составу [Ефремова Т.Ф. Новый словарь русского языка. Толково-словообразовательный. М.: Русский язык, 2000].
Системы управления, использующие единый телекоммуникационный ресурс (сеть связи) могут быть антагонистическими. [Стародубцев Ю.И. Управление качеством информационных услуг / Ю.И. Стародубцев, А.Н. Бегаев, М.А. Давлятова; под общ. ред. Ю.И. Стародубцева. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. - 454 с., стр. 163].
Антагонистические - взаимно отрицательные, направленные друг против друга, враждебные [Идеографический словарь русского языка. - М.: Издательство ЭТС. Баранов О.С. 1995].
Антагонистичность систем управления обусловлена конфликтом целей систем. Цели могут не только не совпадать, но и достижение своих целей одной системой управления, может быть следствием затруднения или невозможности достижения целей другой системой управления. Конфликт целей является ключом к возникновению преднамеренных повреждений элементов сети связи как технологической основы систем управления. [Ермишян А.Г. // Теоритические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях: Учебник. Ч. 1. Методологические основы построения организационно-технических систем военной связи. СПб.: ВАС, 2005. С. 433; Боговик А.В., Игнатов В.В. // Теория управления в системах военного назначения: Учебн. ВАС, 2008. С. 35; Анисимов В.В., Бегаев А.Н., Стародубцев Ю.И., Сухорукова Е.В., Федоров В.Г., Чукариков А.Г. Способ целенаправленной трансформации параметров модели реального фрагмента сети связи. Патент на изобретение RUS 2620200, 23.05.2016].
1
2
n
1
2
m
Для моделирования задают k={k, k, …, k} элементов исследуемой системы управления и R информационных направлений между ее элементами, а также l={l, l, … l} элементов антагонистических систем управления и задают P информационных направлений между их элементами.
г) Задают протокол маршрутизации - протокол, в соответствии с которым будут строиться маршруты по заданным информационным направлениям. Протоколы маршрутизации известны и описаны, например, в [Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2016. - 992 с.: ил. - (Серия «Учебник для вузов»), стр. 515-557].
д) Задают среднее время восстановления каждого элемента сети связи и его среднеквадратическое отклонение. Среднее время восстановления элемента и среднеквадратическое отклонение должно быть кратно длительности шага модельного времени Δt.
е) Задают пороговое значение вероятности повреждения для отнесения элементов сети связи к множеству поврежденных.
В блоке 2 нумеруют элементы сети связи.
В блоке 3 определяют начало очередной статистической реализации.
В блоке 4 определяют показатель относительной структурной значимости каждого элемента сети связи [Стекольников Ю.И. Живучесть систем. - СПб.: Политехника, 2002. - с. 129; Войцеховский А.И., Белов А.С., Киселев А.А., Иванов В.А., Кривенцов О.Б., Мельнов А.И. Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи. Патент Российской Федерации №2449366, G06N 5/00, опубл. 27.04.2012 г.]:
где  - показатель живучести сети связи при поврежденном i-м элементе сети связи,  - показатель живучести сети связи при функционирующем i-м элементе сети связи.
В качестве показателя живучести сети связи может быть выбран суммарный объем передаваемого трафика при функционирующем i-м элементе и объем трафика при поврежденном i-м элементе.
В блоке 5 генерируют время возникновения повреждений элементов сети связи.
Генерируют моменты времени возникновения преднамеренных повреждений, время генерации кратно длительности шага модельного времени Δt. Сгенерированные моменты времени запоминаются.
В блоке 6 размещают элементы систем управления по элементам сети связи. Каждый элемент каждой системы управления размещается на одном из элементов сети связи.
В блоке 7 строят маршруты для обслуживания информационных направлений систем управления. Маршруты строятся по каждому заданному информационному направлению в соответствии с заданным протоколом маршрутизации [Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2016. - 992 с.: ил. - (Серия «Учебник для вузов»), стр. 515-557].
В блоке 8 определяют элементы сети связи, используемые исследуемой системой управления и антагонистическими системами управления.
Поскольку системы управления используют единый телекоммуникационный ресурс, после построения маршрутов по заданным информационным направлениям, некоторые элементы сети связи могут участвовать в обслуживании как исследуемой системы управления, так и антагонистических систем управления.
В блоке 9 запоминают элементы сети связи, используемые для обеспечения связи по каждому информационному направлению исследуемой системы управления.
В блоке 10 переопределяют структурную значимость хранящихся в памяти элементов сети связи с учетом их использования антагонистическими системами управления.
Элементам сети связи, которые используются как исследуемой системой, так и антагонистическими системами управления, структурную значимость приравнивают к нулю.
В блоке 11 ставят в соответствие структурную значимость элементов сети связи и вероятность их преднамеренного повреждения. При этом вероятность преднамеренного повреждения элементов сети связи, используемых и исследуемой, и антагонистическими системами будет равна нулю.
В блоке 12 присваивают переменной N значение 1. N - служебный счетчик, необходимый для функционирования алгоритма.
В блоке 13 выбирают хранящиеся в памяти элементы для Ν-го информационного направления.
Увеличивая в блоке 22 переменную N на единицу, в цикле происходит перебор всех R информационных направлений.
m
p
В блоке 14 обнуляют текущее время моделирования t и время работоспособного состояния t N-го информационного направления.
В блоке 15 генерируют преднамеренные повреждения, реализуемые антагонистическими системами управления.
Если наступает ранее сгенерированный момент времени возникновения преднамеренного повреждения, то преднамеренное повреждение генерируется для выбранных элементов, у которых вероятность преднамеренного повреждения больше заданного порогового значения.
В блоке 16 инициируют начало процесса восстановления неработоспособных элементов сети связи.
Начинается восстановление каждого неработоспособного элемента за заданное среднее время восстановления, с учетом среднеквадратического отклонения.
В блоке 17 проверяют факт, все ли выбранные элементы работоспособны. Если все элементы работоспособны, то в блоке 18 время работоспособного состояния N-го информационного направления увеличивают на величину шага модельного времени.
Информационное направление состоит из последовательно соединенных элементов сети связи, поэтому оно считается работоспособным только в том случае, когда все элементы работоспособны.
m
В блоке 19 текущее время моделирования t увеличивают на длительность шага модельного времени Δt.
В блоке 20 проверяют, не закончился ли интервал моделирования. Если нет, то повторяют действия, описанные в блоках 15-20. Если интервал моделирования закончился, то в блоке 21 рассчитывают коэффициент готовности для N-го информационного направления.
Коэффициент готовности - это вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени и рассчитывается в соответствии с выражением:
i
где t - суммарная наработка i-го объекта в заданном интервале эксплуатации;
i
τ - суммарное время восстановления i-го объекта за тот же период эксплуатации;
М - число наблюдаемых объектов в заданном интервале эксплуатации.
[Федотов А.В. Основы теории надежности и технической диагностики: конспект лекций / А.В. Федотов, Н.Г. Скабкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010 - 64 с., стр. 24].
Поскольку наблюдается один объект - одно информационное направление, тогда N=1 и, следовательно, выражение примет вид:
Наработка - это продолжительность или объем работы объекта.
[Федотов А.В. Основы теории надежности и технической диагностики: конспект лекций / А.В. Федотов, Н.Г. Скабкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010 - 64 с., стр. 17].
p
Продолжительность работы информационного направления равнозначна времени работоспособного состояния t, определяемого в блоке 18, значит:
m
Интервал эксплуатации равнозначен интервалу моделирования T, а поскольку информационное направление было только в работоспособном и неработоспособном состоянии, то:
Тогда, учитывая выражения 3, 4, 5, коэффициент готовности информационного направления:
p
где t - суммарное время работоспособного состояния N-го информационного направления,
m
T - интервал моделирования, равный общему времени функционирования (наблюдения) информационного направления.
После расчета коэффициента готовности выводят перечень неработоспособных элементов сети связи на каждом шаге модельного времени.
В блоке 22 увеличивают переменную N (служебный счетчик) на единицу.
В блоке 23 проверяют, для всех ли информационных направлений рассчитан коэффициент готовности и выведен перечень неработоспособных элементов. Если нет, то повторяют действия, описанные в блоках 13-23.
Если коэффициент готовности рассчитан для всех информационных направлений исследуемой системы управления и выведен перечень неработоспособных элементов сети связи на каждом шаге модельного времени, то процесс моделирования заканчивают.
Таким образом, за счет исключения возможности преднамеренных повреждений элементов сети связи, использующихся антагонистическими системами управления одновременно, достигается технический результат - расширение функциональных возможностей способа-прототипа и повышение адекватности моделирования.