Вопросы обеспечения эффективного и устойчивого функционирования информационных подсистем автоматизированных систем управления сложными организационно-техническими объектами в условиях существенных деструктивных изменений

ВОЕННО-СПЕЦИАЛЬНЫЕ НА УКИ

УДК 002; 004.056

ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО И УСТОЙЧИВОГО

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ В УСЛОВИЯХ СУЩЕСТВЕННЫХ ДЕСТРУКТИВНЫХ

ИЗМЕНЕНИЙ

А.Н. Буренин, К.Е. Легков

Рассматриваются вопросы обеспечения эффективного и устойчивого функционирования информационных подсистем, входящих в состав автоматизированных систем управления сложными организационно-техническими объектами, эксплуатация которых протекает в чрезвычайных условиях, характеризующихся возможностью существенных деструктивных изменений. Предложены методы управления, позволяющие повысить эффективность их функционирования.

Ключевые слова: информационная подсистема, автоматизированная система управления, методы управления, эффективность функционирования, система специального назначения.

Введение. Разнообразные сложные организационно-технические системы, в том числе и специального назначения (ССН) играют существенную роль при обеспечении обороноспособности страны, ее безопасности и поддержании в ней правопорядка. С целью гарантированного обеспечения их эффективного функционирования в различных условиях эксплуатации, организуется постоянное управление ими, которое реализуется посредством развертывания автоматизированных систем управления (АСУ) ССН, в составе которых для обеспечения требуемого качества процессов управления, создаются информационные подсистемы (ИПС АСУ ССН), обеспечивающие как должностным лицам органов управления (ДЛ ОУ) ССН, так и комплексам средств автоматизации (КСА) АСУ ССН предоставление всей номенклатуры требуемых информационных услуг (ИУ).

Как сложная система, функционирование которой осуществляется с показателями эффективности и устойчивости не ниже заданных, ИПС АСУ ССН должна непрерывно управляться, особенно в чрезвычайных условиях. Для управления ею выделяются комплексы программно-технических средств, как из состава АСУ ССН, так специально организованные для ИПС. В любом случае комплексы средств образуют выделенную распределенную по компонентам подсистемы систему управления ИПС АСУ ССН, на которую возлагается решение ряда задач управления, среди которых наиболее важной является задача обеспечения эффективного и устойчивого функционирования ИПС, путем организации результативного управления, особенно в условиях существенных деструктивных изменений, когда важность этой задачи существенно возрастает.

Управление ИПС АСУ ССН, как сложной системой, осуществляется в различных условиях эксплуатации (в т.ч. в чрезвычайных условиях) и предполагает разработку процессов организации комплекса управляющих воздействий на нее и ее компоненты, в результате которых сама подсистема (или требуемый ее компонент) переходит в требуемое (плановое) состояние [1, 2].

Основные задачи, которые необходимо решать при управлении ИПС, можно свести к пяти основным: управление структурой ИПС, управление сбоями, управление функционированием ИПС, управление ресурсами и управление безопасностью [1, 2]. Среди всех пяти задач управления ИПС АСУ ССН, задача управления ее функционированием является наиболее важной и сложной в реализации, поскольку связана с необходимостью учета многих факторов, характеристик и параметров сложных процессов, протекающих в подсистеме и решается исходя из того, что ИПС АСУ ССН рассматривается как мультисетевая система обслуживания [2], для которой характерны основные черты систем массового обслуживания [3-7].

Формализация управления параметрами функционирования ИПС АСУ ССН. В обобщенном виде управление параметрами функционирования ИПС АСУ ССН основано на определении весов всех или наилучших путей получения ИУ, включая последний в качестве первого этапа.

В начале второго этапа составляется модернизированная матрица весов уровневой сети ИПС, нулевые элементы главной диагонали которой имеют значения ¥. Замена элемента си с нуля на ¥ означает, что вес пути

в узел предоставления услуг ИПС принимается бесконечно большим, что дает возможность не рассматривать в процедуре пути, проходящие через исходящий узел предоставления услуг, тем самым исключая его.

Полученная указанным способом модернизированная матрица весов Q = qij умножается на дисперсионную матрицу Вч. В результате получается матрица Аq = Q  Вс, элементы которой используются для полу-

чения дистанционных матриц (т.е. матриц плана управления функционированием при управлении параметрами), при этом каждый элемент а^

s

ij

имеет вид

+ d4!,J1 + dq2, ji + dqi, jn + dqN, j)].

матрицы А q = sij = min k

В выражении mink означает, что минимум может браться по лучшему варианту k = 1, по второму варианту k = 2 и т.д.

Каждый из членов (qig + dg j) выражения (1) определяет вес от узла предоставления услуг У1 к узлу Yj, если первым промежуточным узлом предоставления услуг будет У^ для всех ge {1, ..., N} (рис. 1).

Рис. 1. Формирование плана управления параметрами

ИПСАСУССН

Если У^ не является соседним Уь то член (д/£ + dg ^) равен ¥ . В связи с тем, что дц = ¥, член [ди + dj j) всегда имеет значения ¥ , хотя элемент djj не обязательно равен ¥. Таким образом, число членов выражения, не равных ¥ , равно числу п соседних узлов предоставления услуг (рис. 1), т. е. числу исходящих из узла предоставления услуг У{ направлений.

Величина минимального члена выражения (1), определяющая вес наилучшего пути от /-го узла предоставления услуг к j-му через £-й:

д}j = ш1п1 (д/1 + dl j),..., (д/ N + dN j) = (д/ £ + dg j), заносится в качестве элементов д}j в матрицу 1 -го выбора А1 = д}j

Величина второго по значению члена выражения (1), определяющая вес второго по значению пути после наилучшего

б2,- = ш1п2 (д/,1 + dl, I}...; (д/,N + dN, /), заносится в качестве 52,- в матри-

2

цу 2-го выбора А =

8?j

При наличии п соседних узлов предоставления услуг, очевидно, можно получить п матриц вида А1, А2,..., Dn.

От матриц А1, А2,..., Ап переходят к матрицам планов управления ИПС АСУ ССН. Для этого для каждого Yf ищется минимальный член выражения (1) при k = £, £ = 1,2,..., N, например, (q, £ + d £ j). Тогда элемент т1 матрицы плана управления для У, равен значению индекса k, т.е. сам план задан

M ... A...

ПГ,- =bi£ [m,£k].

Таким же образом формируются матрицы планов управления для каждого узла предоставления услуг ИПС АСУ ССН, указывающие очередность выбора исходящих направлений при получении ИУ.

Методы управления параметрами. В соответствии с изложенной выше общей схемой управления параметрами, а также с учетом того, что в чрезвычайных условиях эксплуатации возможны затруднения в получении полной информации о состоянии ИПС АСУ ССН и поиск следует вести в классе децентрализованных процедур, может быть предложен ряд методов управления параметрами, характеризирующими процессы функционирования ИПС.

В качестве одного из самых легко реализуемых на практике методов управления параметрами может быть предложен следующий: метод распределенного программного управления с локальными процедурами адаптации (метод РПУ ЛА). Он предусматривает задание для каждого узла предоставления услуг ИПС АСУ ССН статического (или неизменного во времени) плана управления в виде матрицы ПГ, = {p,jk}, каждый элемент

p,jk которой равен 1, если путь из i-го узла предоставления услуг ИПС в k-

й через соседний j-й является путем первого выбора (т.е. наилучшим), если Pijk = 2, то путем второго выбора и т.д. Метод РПУ ЛА предусматривает

два уровня локальной адаптации, не требующей передачи информации (рис. 2).

Первый уровень определяет целесообразное число последовательных проб в каждом исходящем направлении. При неудачной попытке получить ИУ соответствующего качества по пути первого выбора, предпринимается еще несколько попыток, прежде чем переходить к выбору следующего по значимости пути. Требуемое число последовательных проб зависит от многих факторов в составляющих путях передачи до сервера назначения.

Поток требований на обслуживание

значения уровневых порогов

План управления

Адаптивный план управления параметрами

ПТг = {р1]к}

Распределенное программное управление

1у Г

А-

РПУ ЛА

Рис. 2. Описание метода распределенного программного управления с локальными процедурами адаптации

Если среднее время обслуживание требования составляет -з, то среднее время, в течение которого данное виртуальное направление к серверу назначения будет находиться в занятом состоянии, составит Тз . Так как процесс поступления новых требований или сообщений независим от процессов освобождения серверов услуг, то за целесообразное число последовательных проб можно взять величину 1 Г, где А/ - интервал вре-

А-

мени между двумя последовательными пробами с установлением виртуального соединения к серверу, у - весовой коэффициент, характеризующий различие между путем первого (второго) и второго (третьего) выбора и допустимой доли от среднего времени обслуживания требований.

Второй уровень адаптации связан с использованием локальной информации, основанной на проведении периодического анализа загрузки средств (занятости виртуальных ветвей, размера очередей в сервере) или текущей оценке времени задержки обслуживания для каждого исходящего направления.

Выбор пути производится по комплексу правил с учетом приведенных параметров локальной информации, имеющейся на каждом компоненте СУ ИПС, связанном с узлом предоставления услуг. При этом выбирается тот путь, который на первом участке (исходящем направлении) менее загружен, характеризуется меньшей очередью или меньшей задержкой в обслуживании.

Если пути первого, второго и т.д. выбора различны, то процедура выбора усложняется введением ограничений. Так, например, требование на обслуживание посылается в исходящее направление второго (третьего) выбора, если исходящее направление первого (второго) выбора загружено на определенную величину (очередь достигла предельного значения, ожидаемые задержки в обслуживании превысят допустимые и т.п.).

279

В качестве другого метода управления параметрами ИПС АСУ ССН в условиях чрезвычайных ситуаций, когда эффективность метода РПУ ЛА низка, может быть предложен метод распределенного программного управления с глобальными и локальными процедурами адаптации (РПУ ГЛА), который представляет собой интеграцию РПУ ЛА с вероятностно-игровыми процедурами управления. Суть РПУ ГЛА заключается в формировании на распределенных центрах управления ИПС вероятностных автоматов, реагирующих на успешность прохождения требований к тем или иным узлам предоставления услуг ИПС АСУ ССН. На основе этих данных проводится формирование текущего плана управления для каждого вида услуг, остановка процедур корректировки вероятностей и управления услугами в соответствии с текущим планом управления, сформированным на основе метода РПУ ЛА.

При использовании метода РПУ ГЛА для формирования процедур и плана управления, ИПС АСУ ССН рассматривается как случайная среда, а средства управления ИПС представляются в виде коллектива стохастических автоматов, функционирующих в этой среде (играющих со средой).

Применяемые при управлении параметрами ИПС АСУ ССН процедуры «игры» состоят в том, что для получения соответствующей ИУ из исходного узла к требуемому узлу предоставления услуг вначале наугад выбирается исходящее направление. Если ИУ с требуемым качеством предоставлена потребителю, то это направление поощряется, в противном случае штрафуется. Этот период наработки статистики назовем периодом настройки метода РПУ ГЛА. Поэтому в качестве играющего автомата компонента СУ ИПС на |-м узле предоставления услуг подсистемы принимают автомат с переменной структурой:

А ! =

к

где Р|у > 0- вероятность появления состояния уго выхода, а X Р/г=1.

г=1

Изменение элементов Р/у происходит следующим образом: если

было

совершено действие уго типа и автомат А] был оштрафован, то

*

Ру =—, ' * .

1 + (а-1) р/у

Если за это же действие автомат был поощрен, то

*

Р/У = —, ' * ,

1 + (Ь-1) Р*у

*

где а £ 1 и р> 1- параметры метода; р*у- оценка вероятности состояния

уго выхода по результатам обслуживания предыдущих заявок.

После изменения величин р*у все остальные элементы р" Х^У нормируются:

* рХ

Рх=л

1 + 1) р*х

ру

рх = 1 + (ь-1) р)%

Реализация игровых процедур в процессе управления параметрами ИПС АСУ ССН состоит в следующем: на каждом компоненте СУ ИПС со-

ответствующем /-му узлу хранится стохастическая матрица А г =

Ау

числом строк, равным числу узлов в подсистеме, и числом столбцов, равным числу исходящих из узла направлений. Каждая у-я строка матрицы, соответствующая у-му узлу ИПС, представляет собой автомат А ¡у = (р\]1, р1] 2,..., р/уу,.., ргук), причем элемент ргуу сопоставляется с ум

исходящим направлением. Элементы р^у изменяются в соответствии с

или (7).

Основное достоинство всех игровых процедур вообще, и при применении их для управления параметрами в ИПС АСУ ССН в частности, заключается в том, что при формировании процедур и планов управления не требуется передачи какой-либо служебной информации, т.к. в качестве нее выступают сами требования. При этом при формировании плана управления для каждой новой заявки используются результаты их обслуживания в предыдущее время, а после обслуживания их план вновь корректируется.

Однако, несмотря на такое замечательное свойство игровых процедур как отсутствие необходимости передачи служебной информации, их монопольное применение возможно только в ИПС АСУ ССН со стабильными слабо изменяющимися потоками требований, характеризующимися длительными периодами стационарности (интенсивности которых длительное время остаются неизменными) и в условии полного отсутствия структурных изменений. Только в этом случае в качестве оценки вероятности успешного получения ИУ требуемого качества можно использовать величины р у у. В противном случае ошибка смещения оценки р у возрастет настолько, что эти оценки вообще никак не будут отражать реальную ситуацию в ИПС АСУ ССН. Все это приводит к тому, что игровым процедурам присущи два основных недостатка: трудности учета изменений нагрузки (исходные колебания нагрузки, вызванные потребностями пользователей АСУ ССН, и колебания, вызванные процедурами управления ИПС, также приводящие к ее изменению) и практическое отсутствие реакции на структурные изменения.

с

Даже при незначительных изменениях нагрузки, поступающей в ИПС АСУ ССН от потребителей необходимо изменять величины а и ß в соответствии с этими изменениями. Однако получить аналитические выражения для этих величин в зависимости от нагрузки не представляется возможным. Обычно значения применяемых параметров a и ß подбирают в результате имитационного моделирования работы ИПС на ЭВМ, в результате которого, исходя из заданной вероятности либо получения ИУ несоответствующего качества, либо отказа в получении ИУ Potk , могут быть получены некоторые вероятности р1 и р2, удовлетворяющие условию Р1 < Potk < Р2, по которым можно определить параметры аи ß:

а = P1; ß =

Р2 q2

где q1 = 1 - Р1; q2 = 1 - Р2.

Как правило, в ИПС АСУ ССН потоки требований неравномерно распределены по компонентам подсистемы и изменяются в процессе функционирования ССН. Кроме того, сама ИПС может претерпевать существенные, в т.ч. структурные, изменения. В этих условиях прямое монопольное применение игровых процедур может дезориентировать работу ИПС АСУ ССН в целом. Поэтому монопольное применение исключительно игровых процедур для управления параметрами ИПС нецелесообразно.

Вместе с тем, изменения в ИПС АСУ ССН, вызванные функционированием СУ ИПС (т.е. влияние на колебание самих процессов управления ИПС), учесть в процедурах управления можно. Поскольку выбор исходящего направления осуществляет вероятностный автомат, то изменения в ИПС (колебания нагрузки), вызванные функционированием СУ ИПС сами носят случайный характер.

Очевидно, что автомат

A j (tc ) = (РJl(tc ), РJ 2(tc ), ., Pjy (tc ),..., РJk (tc Ж функционирующий в изменяемой среде ИПС, характеризуется величиной

P [Pi1 (Pi1 (tc )), L, Piß biß (tc )), L, PiN (рШ (tc ))], (9) где Pjß (piß) - вероятность штрафа.

При этом осуществляется изменение структуры каждого вероятностного автомата на каждом /-м шаге посредством изменения параметров ах и ßx . Тогда математическое ожидание приращения элемента матрицы A за выбор х-го действия составит

DPijß = -PjPiß

p'ß{p-ß)T+aß-kß+[l -^T+gß-kß

Игровые процедуры можно существенно упростить, если принять Ру= 1 и учитывать справедливость следующего выражения:

282

р ( ) (aß-1)Ptß pß (Ptß )—т—-И И 1+ (aß-1)Ptß

= const.

Тогда, чтобы учесть изменения в ИПС АСУ ССН, вызванные процессами управления подсистемой, следует выбрать Рт= 1, а параметр ат на каждом шаге определять из выражения

aß

= 1-

1

1 + Ptß

Второй недостаток игровых процедур при применении их в процессе управления параметрами ИПС состоит в практически отсутствующей реакции на структурные изменения, которые произошли в подсистеме, что, конечно же, недопустимо при применении процедуры в сложных условиях эксплуатации.

Однако структурные изменения в ИПС достаточно эффективно отрабатываются рассмотренным ранее методом РПУ ЛА. Поэтому естественным является объединение изложенных игровых процедур с методом РПУ ЛА в едином комплексном методе управления параметрами ИПС АСУ ССН - методе распределенного программного управления с глобальными и локальными процедурами адаптации (РПУ ГЛА), в котором наряду с локальными элементами адаптации присутствуют глобальные элементы адаптации, присущие игровым процедурам.

Эффективность применения разработанных методов подтверждается результатами имитационного моделирования (улучшение показателя качества обслуживания по сравнению с традиционно используемыми способами организации работы информационных подсистем, основанными на жестко закрепленных процедурах планирования работы ИПС), рис. 3. При этом моделировались потоки требований, представляющих собой равномерную смесь примитивного потока, потока Пальма, потока Эрланга 2-го порядка и потока Эрланга 3-го порядка, как наиболее типичные для ИПС АСУ ССН.

i

0,9

0,8

и

ш g 0,7

§ 0,5 и

§ 0,4

10,з

о

^ 0,2

ПКласснчпескнй метод программного управления Метод РПУ ЛА

Метод с игровыми

процедурами П Метод РПУ ГЛА

1 2 Уровень деструкций в ИП АСУ ССН

1 - низкий

Рис. 3. Сравнительная оценка методов управления параметрами

ИПСАСУССН

0,6

0,1

0

Заключение. Создающиеся в настоящее время сложные организационно-технические системы специального назначения призваны играть существенную роль в деле обеспечения обороноспособности, безопасности РФ и поддержании в ней правопорядка. Для обеспечения гарантированного эффективного функционирования ССН в различных условиях эксплуатации требуется организовать непрерывное управление ими созданием высокоорганизованных автоматизированных систем управления ССН. В составе АСУ ССН для обеспечения требуемого уровня качества процессов управления, создаются информационные подсистемы, обеспечивающие как должностным лицам органов управления, так и комплексам средств автоматизации АСУ ССН предоставление всей требуемой номенклатуры информационных услуг.

Самой ИПС АСУ ССН необходимо непрерывно управлять, особенно в чрезвычайных условиях эксплуатации. Для чего выделяются комплексы программно-технических средств, как из состава АСУ ССН, так специально организованные для ИПС, которые образуют выделенную распределенную систему управления подсистемой, выполняющую ряд задач управления, среди которых наиболее важной является задача управления функционированием. Эта задача при существенных деструктивных изменениях в ИПС должна включать подзадачи управления параметрами, характеризующими ее функционирование.

Реализация эффективного управления параметрами ИПС АСУ ССН осуществляется на основе предложенных в работе методов распределенного программного управления с локальными процедурами адаптации (метод РПУ ЛА) и распределенного программного управления с глобальными и локальными процедурами адаптации (РПУ ГЛА), представляет собой интеграцию РПУ ЛА с вероятностно-игровыми процедурами управления.

Список литературы

1. Буренин А.Н., Курносов В.И. Теоретические основы управления современными телекоммуникационными сетями / под ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Курносова. М.: Наука. 2011. 464 с.

2. Буренин А.Н., Легков К.Е. Инфокоммуникационные системы и сети специального назначения. Основы построения и управления. М.: ИД «Медиа Паблишер». 348 с.

3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1974. 542 с.

4. Тренер Д. Вероятность, статистика и исследование операций. М.: Статистика, 1976. 387 с.

5. Ланне А. А., Улахович Д. А. Многокритериальная оптимизация. Л.: ВАС, 1984. 87 с.

6. Ральфа Г. Анализ решений. Введение в проблему выбора в условиях неопределенности. М.: Наука, 1977. 408 с.

284

7. Bower J.L. The role of conflict in economic decision-making groups, some empirical result // The Quarterly Journal of Economics. 79. № 2. 1965. P.424 - 444.

Буренин Андрей Николаевич, д-р техн. наук, доцент, гл. специалист группы системного анализа, konferencia asu vkaamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «НИИ «Рубин»

Легкое Константин Евгеньевич, канд. техн. наук, нач. кафедры, constlamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского

THE EFFICIENT AND SUSTAINABLE FUNCTIONING OF INFORMATION SUBSYSTEMS OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS OF COMPLEX TECHNICAL OBJECTS UNDER CONDITIONS OF SIGNIFICANT DESTRUCTIVE CHANGES

A.N. Burenin, K.E. Legkov

The article discusses the effective and sustainable functioning of information subsystems included in the automated control systems of complex organizational-technical objects, the operation of which takes place in extreme conditions, characterized by significant destructive changes. The proposed control methods, which allows to increase the efficiency of their functioning.

Key words: information system, automated management system, management methods, the efficiency of the system for special purposes.

Burenin Andrey Nikolaevich, doctor of technical sciences, chief specialist of the system analysis group, docent, konferencia asu vkaamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, JSC «Research Institute«Rubin»,

Legkov Konstantin Evgenyevich, candidate of technical sciences, head of chair, constla mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy