СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
METHOD OF MODELING PROCESS OF JUSTIFYING REQUIREMENTS FOR A SYSTEM FOR MONITORING DISTRIBUTED COMMUNICATION SYSTEMS

Изобретение относится к области моделирования сложных организационно-технических систем и может быть использовано при проектировании систем автоматизированного контроля систем связи.
Толкование терминов, используемых в заявке.
Под мониторингом понимается наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека (Ермишян А. Г. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях: Учебник. Часть 1. Методологические основы построения организационно-технических систем военной связи. СПб.: ВАС, 2005. - 740 с., стр. 359).
Под системой связи понимается организационно-техническое объединение средств связи, развернутых в соответствии с решаемыми задачами и принятой системой управления для обмена всеми видами сообщений (информации) между пунктами (узлами связи), органами и объектами управления (Ермишян А. Г. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях: Учебник. Часть 1. Методологические основы построения организационно-технических систем военной связи. СПб.: ВАС, 2005. - 740 с., стр. 74).
Под объектом контроля понимается изделие и (или) их составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю) (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 9 с., стр. 2).
1
1
1
1
1
Известен способ мониторинга, реализованный в изобретении «Способ мониторинга цифровых систем передачи и устройство его реализующее», патент РФ №2573266, G06F 11/00, опубликованное 17.12.20145, бюл. №2. Способ заключается в том, что формируют базу данных эталонных значений n-параметров i-го объекта контроля, измеряют параметры i-го объекта контроля в момент времени t, прогнозируют техническое состояние i-го объекта контроля на заданный интервал времени t+Δt, передают полученную информацию о техническом состоянии в момент времени t и заданный интервал времени t+Δt на ЭВМ, сравнивают полученную информацию и формируют решение по выбору наилучшего i-го объекта контроля на время t+Δt, на основе сформированного решения оператор с помощью ЭВМ производит переключение на i-й объект контроля, обладающий наилучшими параметрами и характеристиками.
Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является способ мониторинга, реализованный в изобретении РФ «Способ мониторинга распределенной системы управления и связи», патент РФ №2619205, G06F 11/26, опубликованный 12.05.2017, бюл. №14.
1
1
Способ-прототип заключается в том что: формируют структуру и топологию системы мониторинга, определяют эталонные значения норм всех n-параметров i-x объектов контроля с учетом: количества i-x объектов контроля, расстояния между i-ми объектами контроля, скорости передачи информации между i-ми объектами контроля, периодичности и продолжительности контроля технического состояния i-x объектов контроля, формируют базу данных эталонных значений всех n-параметров i-x объектов контроля, измеряют n-параметров i-x объектов контроля, определяют техническое состояние i-x объектов контроля на заданный момент времени t и интервал времени t+Δt с учетом прогнозирования и определения эталонных значений норм всех n-параметров, изменяют и реконфигурируют систему мониторинга с учетом технического состояния i-x объектов контроля.
Технической проблемой в данной области является низкая достоверность оценки моделируемых процессов из-за отсутствия имитации: прогнозирования технического состояния средств измерений i-x объектов контроля, определения межповерочных интервалов с учетом прогноза технического состояния средств измерений i-x объектов контроля.
Техническая проблема решается созданием способа моделирования процесса обоснования требований к системе мониторинга распределенных систем связи, обеспечивающего возможность повысить достоверность оценки моделируемых процессов за счет имитации: прогнозирования технического состояния средств измерений i-x объектов контроля, определения межповерочных интервалов с учетом прогноза технического состояния средств измерений i-x объектов контроля.
Техническая проблема решается тем, что способ моделирования процесса моделирования процесса обоснования требований к системе мониторинга распределенных систем связи заключающийся в том, что моделируют структуру и топологию системы мониторинга распределенных систем связи, моделируют определение эталонных значений норм всех n-параметров i-x объектов контроля с учетом: количества i-x объектов контроля, расстояния между i-ми объектами контроля, скорости передачи информации между i-ми объектами контроля, периодичности и продолжительности контроля технического состояния i-x объектов контроля, моделируют формирование базы данных эталонных значений норм всех n-параметров i-x объектов контроля, измеряют n-параметров i-x объектов контроля, моделируют определение технического состояния i-x объектов контроля, моделируют изменение и реконфигурацию системы мониторинга с учетом технического состояния i-x объектов контроля, согласно изобретению дополнен следующими действиями: прогнозируют техническое состояние средств измерений i-x объектов контроля, моделируют определение межповерочных интервалов с учетом прогноза технического состояния средств измерений i-x объектов контроля.
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения 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 данный способ.
Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показана:
фиг. 1 - схема моделирующего алгоритма процесса обоснования требований к системе мониторинга распределенных систем связи;
фиг. 2 - результаты решения оптимизационной задачи для некоторых типовых законов распределения вероятностей отказов средств измерений.
Реализовать заявленный способ можно в виде моделирующего алгоритма процесса обоснования требований к системе мониторинга распределенных систем связи, представленного на фиг. 1.
В блоке 1 задают (вводят) исходные данные, необходимые для моделирования структуры и топологии системы мониторинга: временная плотность вероятности отказа средства измерения i-го объекта контроля - ƒ(t); потери связности распределенной системы связи от занижения межповерочного интервала на единицу времени - λ; потери связности распределенной системы связи от завышения межповерочного интервала на единицу времени - μ; верхняя граница времени функционирования средства измерения i-го объекта контроля - τ; величина межповерочного интервала (согласно нормативно-технической документации) - Т.
Структурно-топологическое построение системы мониторинга распределенных систем связи предполагает ее представление количественными показателями через соответствующие параметры, а также описание состава, конфигурации и взаимосвязи отдельных элементов (Основы построения систем и сетей передачи информации. Учебное пособие для вузов / В.В. Ломовицкий, А.И. Михайлов, К.В. Шестак, В.М. Щекотихин; под. ред. В.М. Щекотихина - М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 382 с., стр. 57; В.Д. Боев. Основы моделирования военно-техническим систем. Часть 1. Учебное пособие. - СПб: МВАА, 2016. - 268 с., стр. 238).
В блоке 2 моделируют структуру и топологию системы мониторинга. При этом топология размещения элементов системы мониторинга представлена с учетом нескольких i-x объектов контроля. Для каждой группы i-x объектов контроля осуществляется генерация координат районов их размещения.
Первую группу составляют i-x объектов контроля, местоположения которых ограничены районами нахождения элементов распределенных систем связи (узлов связи). Представление их координат обеспечивается с помощью соотношений:
где  - координаты i-го объекта контроля соответственно по осям X и Y;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля от места нахождения распределенного элемента системы связи по оси Х с учетом воздействующих факторов;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля от места нахождения распределенного элемента системы связи по оси Y с учетом воздействующих факторов;
0,1
D - случайное число, распределенное на интервале (0,1), получаемое с помощью датчика случайных чисел.
Ко второй группе относятся i-e объекты контроля, координаты которых зависят от положения i-x объектов контроля первой группы. Имитация их районов размещения осуществляется с помощью выражений:
где  - координаты района развертывания i-го объекта контроля первой группы;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля второй группы от i-го объекта контроля первой группы по оси X;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля второй группы от i-го объекта первой группы по оси Y;
α - угол, определяющий местоположение i-го объекта контроля второй группы относительно i-го объекта контроля первой группы.
Третью группу составляют i-е объекты контроля, местоположение которых коррелированно с координатами i-го объекта контроля второй группы.
N-ую группу составляют i-е объекты контроля, местоположение которых коррелированно с координатами i-го объекта контроля (N-1)-ой группы. Имитация их районов размещения осуществляется с помощью выражений:
где  - координаты района развертывания i-го объекта контроля (N-1)-ой группы;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля N-ой группы от i-го объекта контроля (N-1)-ой группы по оси X;
- соответственно максимально и минимально возможное удаление i-го объекта контроля N-ой группы от i-го объекта контроля (N-1)-ой группы по оси Y;
β - угол, определяющий местоположение i-го объекта контроля N-ой группы относительно i-го объекта контроля (N-1)-ой группы.
Имитация координат размещения i-x объектов контроля всех групп осуществляется последовательно от групп с наименьшими номерами к группам с наибольшими номерами в порядке возрастания.
Структура системы мониторинга может быть смоделирована с помощью имитаторов формальных математических моделей каналов связи, основанных на аппарате системных функций (Галкин А.П. и др. Моделирование каналов систем связи. - М.: Связь, 1979. - 96 с., стр. 40-52).
В блоке 3 моделируют определение эталонных значений норм всех n-параметров i-x объектов контроля с учетом: количества i-x объектов контроля, расстояния между i-ми объектами контроля, скорости передачи информации между i-ми объектами контроля, периодичности и продолжительности контроля технического состояния i-x объектов контроля. Последовательность расчетов при определении значений норм всех n-параметров i-x объектов контроля с учетом реальных условий их эксплуатации представлен в известной литературе (И.Г. Бакланов Методы измерений в системах связи. М.: Эко-Трендз, 1999. - 204 с. стр. 56).
В блоке 4 моделируют формирование базы данных эталонных значений норм всех n-параметров i-x объектов контроля. Порядок обработки информации и формирования базы данных в системах управления с использованием средств автоматизации (ЭВМ) описан в книгах: (Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М. Виноградов. - М.: Советская Энциклопедия. Т. 4 Ок - Сло. 1984. 1216 стб., стб. 1033-1034; Мартыщенко Л.А., и др. Методы оперативно-статистического анализа результатов выборочного контроля качества промышленной продукции. - Международная академия информатизации. - Санкт-Петербург - Тула: Гриф и К0, 2001. - 72 с., стр. 22-23; Б.Д. Лебедев, Н.И. Мякин Вопросы автоматизации управления боевыми действиями артиллерии. - М.: Военное издательство МО СССР, 1979. - 158 с., стр. 34-41; Д.А. Иванов, В.П. Савельев. Основы управления войсками в бою. М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1977. - 391 с., стр. 176-191).
В блоке 5 прогнозируют техническое состояние средств измерений i-x объектов контроля. При этом техническая реализация процесса прогнозирования известна в виде технических устройств из широкого круга технической литературы (Рабочая книга по прогнозированию / И.В. Бестужев-Лада. - М.: Мысль, 1982. - 430 с., стр. 281-293. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б. Прогнозирование в военном деле. М., Воениздат, 1975. - 279 с., стр. 137-271. Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др. Под общ. Ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., стр. 158-159, рис. 17).
*
В блоке 6 моделируют определение межповерочных интервалов с учетом прогноза технического состояния средств измерений i-x объектов контроля. При этом, решается оптимизационная задача межповерочных интервалов Т в системе «i-й объект контроля - средство измерения» следующего вида:
Минимально возможные средние потери связности распределенной системы связи Q(T) определяются по формуле:
Чтобы средние потери связности распределенной системы связи были минимальными должно выполняться условие:
Используя правило дифференцирования по параметру из (9) с учетом (8) получим:
учитывая, что:
*
получим, что оптимальная величина межповерочного интервала Т должна удовлетворять условию:
где:
При Т, удовлетворяющем условию (13) выполняются и достаточные условия минимума. Зная распределение ƒ(t) и величины λ и μ из (13) можно получить величину межповерочного интервала оптимальную в смысле минимума потерь связности распределенной системы связи.
В общем случае эта задача решается численными методами, но для некоторых законом распределения удается получить аналитические решения. Результаты решения задачи (7) для некоторых типовых законов распределения вероятностей отказов средств измерений (фиг. 2).
В блоке 7 измеряют n-параметров i-x объектов контроля. Измерение производится путем сбора, накопления и уточнения статистических данных n-параметров i-x объектов контроля с использованием средств измерений (контрольно-измерительной аппаратуры технического контроля) (Меньшаков Ю.К. Защита объектов и информации от технических средств разведки. - М.: Российск. гос. гуманит. ун-т, 2002. - 399 с., стр. 385-387; И.Г. Бакланов Тестирование и диагностика систем связи. - М.: Эко-Трендз, 2001. - 264 с., стр. 19-21).
В блоке 8 сравнивают измеренные и эталонные значения n-параметров i-x объектов контроля на соответствие. Если измеренные значения n-параметров i-x объектов контроля не соответствуют эталонным значениям, то осуществляется возврат к блоку 2, где происходит моделирование структуры и топологии системы мониторинга распределенных систем связи. Если же измеренные значения n-параметров i-x объектов контроля соответствуют эталонным значениям, то осуществляется переход к блоку 9.
В блоке 9 моделируют определение технического состояния i-x объектов контроля. Техническое состояние выбранных i-x объектов контроля проводят путем сравнения измеренных значений n-параметров и требуемых значений n-параметров, характеризующих техническое состояние i-x объектов контроля (ГОСТ 27002 - 89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. - М. 1989, - 37 с., стр. 2-3; ГОСТ Р 53111 - 2008 Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. - М. 2008, - 19 с., стр. 2)
В блоке 10 моделируют изменение и реконфигурацию системы мониторинга с учетом технического состояния i-x объектов контроля. Реконфигурация системы мониторинга заключается в изменении ее структуры, топологии, режимов работы (введении в работу резервных каналов (линий) и объектов контроля, восстановлении поврежденных и отказавших объектов контроля, изменении частот передачи, приема, мощности передачи, видов обработки сигналов, маршрутов прохождения каналов (трактов), азимутов антенн, помехозащищенных режимов и т.д). (Основы построения систем и сетей передачи информации. Учебное пособие для вузов / В.В. Ломовицкий, А.И. Михайлов, К.В. Шестак, В.М. Щекотихин; под. ред. В.М. Щекотихина - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 382 с.)
Далее переходят к блоку 11, где производят остановку процесса моделирования.
Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась путем сравнения достоверности оценки полученных результатов при моделировании процессов, реализующих способ-прототип и при моделировании процесса обоснования требований к системе мониторинга для предлагаемого способа.
Из формулы 11.8.6 (Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988 г., 480 с., стр. 463):
где Ф - функция Лапласа;
N - количество моделируемых событий;
ош
p - реальное значение оценки;
- требуемое значение оценки;
ε - величина доверительного интервала;
N - количество моделируемых событий, причем:
N=k×n,
где k - число материальных действий;
n - число реализаций материальных действий, определим достоверность результатов моделирования процесса обоснования требований к системе мониторинга распределенных систем связи, принимая:
Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992, 206 с., стр. 14):
Тогда:
ош
Для случая, когда р;  вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая . Тогда: . Определим  и , принимая ε=0,05, а k=6, n=1000 для каждого материального действия, тогда N=6000 для прототипа при моделировании: а) формирования структуры и топологии, б) определения эталонных значений норм всех n-параметров, в) формирования базы данных эталонных значений норм всех n-параметров, г) измерения n-параметров, д) определения технического состояния i-x объектов контроля, е) изменения и реконфигурации системы мониторинга и k=8, n=1000 для каждого материального действия, тогда N=8000 для предлагаемого способа дополнительно к функциям прототипа при моделировании: ж) прогнозирования технического состояния средств измерений, з) определения межповерочных интервалов с учетом прогноза технического состояния средств измерений.
Оценка эффективности заявленного способа:
Таким образом, решается техническая проблема.