СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
METHOD FOR PROVIDING STABLE OPERATION OF COMMUNICATION SYSTEM

Предлагаемое техническое решение относится к области радиотехники, а именно, к области диагностирования и контроля технического состояния систем связи в условиях деструктивных воздействий [Толкование используемых в описании терминов дано в Приложении 1].
Известен "Способ моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры и информационная система для его реализации", патент РФ № 2252453, G06N 1/00, опубл. 20.05.2005, бюл. №14, заключающийся в том, что определяют схемотехнические характеристики элементов сложной технологической структуры (СТС) и устанавливают их взаимосвязи. Все связи между элементами принципиальной схемы СТС разделяют на основные и резервные. Задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС и определяют значение показателя аварийности состояния связей между элементами СТС. В случае неравенства указанного показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными посредством активных действий оператора. Определяют значение показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС. Система обеспечивает получение оперативной информации оператором о действиях по восстановлению работоспособности СТС, основанных на использовании имеющегося резерва внутренних возможностей СТС, выработку прогноза состояния СТС и рекомендаций по улучшению функционирования измененной СТС.
Недостатками способа является относительно низкая устойчивость функционирования СТС при возможном воздействии на нее деструктивных воздействий.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому техническому решению является "Способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации и система для его реализации", патент РФ № 2336566, G06N 1/00, опубл. 20.10.2008, бюл. №29. Способ-прототип заключается в следующей последовательности действий. Определяют схемотехнические характеристики элементов сети связи, устанавливают их взаимосвязи, описывают структуру сети связи, разделяют все связи на основные и резервные, задают произвольные комбинации повреждений элементов сети связи, определяют значения показателя аварийности состояния связей между элементами сети связи, моделируют процесс обеспечения технической готовности при эксплуатации сети связи, имитируют различные виды отказов, повреждений и сбоев основных элементов сети связи, замещают поврежденные связи резервными, определяют значение показателя восстановления работоспособности сети связи, осуществляют сбор статистики, прогнозируют техническое состояние основных элементов сети связи и рассчитывают основные показатели функционирования сетей связи.
Недостатками способа является относительно низкая устойчивость функционирования сети связи при воздействии деструктивных воздействий на ее структурные элементы. Это обусловлено тем, что проведение реконфигурации сети связи выполняют без учета характера и временных параметров деструктивных воздействий.
Техническим результатом изобретения является разработка способа, обеспечивающего повышение устойчивости СС при воздействии деструктивных воздействий на ее структурные элементы за счет упреждающей реконфигурации, решение на которую принимают на основе анализа и обработки характера деструктивных воздействий.
n
в
пор
пор
Технический результат достигается тем, что в известном способе моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации, заключающемся в том, что систему связи, включающую N структурных элементов и связей между ними, разворачивают в рабочее состояние, фиксируют дестабилизирующие воздействия на ее структурные элементы, по полученным данным формируют имитационную модель системы связи, моделируют на ней дестабилизирующие воздействия, по результатам моделирования реконфигурируют имитационную модель системы связи и вычисляют вероятность нарушения ее функционирования от дестабилизирующих воздействий, при работе системы связи в реальных условиях эксплуатации и воздействии на нее только эндогенных деструктивных воздействий измеряют время реконфигурации системы связи после каждого деструктивного воздействия. Также измеряют интервалы времени после завершения реконфигурации до очередного деструктивного воздействия. При функционировании системы в условиях экзогенных деструктивных воздействий также подсчитывают и запоминают данные о числе воздействий m на n-й элемент системы связи, где n=1,2…N, количество N, элементов системы связи, подвергшихся деструктивным внешним воздействиям. Измеряют, подсчитывают и запоминают интервалы времени  реконфигурации системы связи после каждого j-го, внешнего деструктивного воздействия, где j=1,2…М, М - общее число деструктивных воздействий. Измеряют интервалы времени между j-м и (j+1)-м внешними деструктивными воздействиями  и интервалы времени  функционирования системы связи после j-й реконфигурации до (j+1)-го деструктивного внешнего воздействия. Вычисляют по полученным данным среднее время реконфигурации , среднее время функционирования системы связи  и среднее время между внешними деструктивными воздействиями , а также показатель ранжирования R элементов системы. С помощью показателя ранжирования ранжируют пораженные элементы системы связи, после чего вычисляют достоверность вскрытия структуры системы связи воздействующей стороной D. При этом имитационную модель формируют по полученным данным, и с ее помощью моделируют деструктивные внешние воздействия. Далее вычисляют число воздействий на соответствующие элементы системы связи и реконфигурируют ее после каждого воздействия. Вычисляют средний интервал времени между дестабилизирующими внешними воздействиями и сравнивают вычисленное значение достоверности D вскрытия структуры системы связи воздействующей стороной с предварительно заданным пороговым уровнем достоверности D. При превышении значения вычисленной достоверности D над пороговой D упреждающе реконфигурируют реально действующую систему связи в интервал времени после последней реконфигурации, меньший вычисленного среднего времени между дестабилизирующими внешними воздействиями на имитационной модели. Среднее время реконфигурации , вычисляют по формуле
где  - интервал времени реконфигурации системы связи после каждого j-го, внешнего деструктивного воздействия; М - количество воздействий на систему связи.
Среднее время функционирования системы связи , вычисляют по формуле
где  - интервал времени функционирования системы связи.
Среднее время между внешними деструктивными воздействиями вычисляют как среднее от измеренных интервалов времени между внешними деструктивными воздействиями по формуле
где  - значения измеренных интервалов времени между воздействиями, K - количество интервалов времени между воздействиями. Показатель ранжирования вычисляют по формуле
1
i
2
где K - коэффициент интенсивности воздействия,  m - число воздействий на i-й элемент системы связи, М - общее количество воздействий на систему связи; K - коэффициент простоя элементов системы связи
где  - среднее время функционирования элементов системы связи; - среднее время реконфигурации системы связи.
Достоверность вскрытия системы связи вычисляют по формуле
в
где ε - точность оценки; N - количество элементов системы связи, подвергшихся деструктивным внешним воздействиям; σ - среднеквадратическое отклонение случайной величины.
Деструктивные внешние воздействия на имитационной модели моделируют по случайному закону.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность на основе измерений характеристик воздействующих деструктивных факторов, измерения параметров функционирующей в этих условиях системы связи и имитации их на модели упреждающе проводить реконфигурацию функционирующей системы связи, чем и достигается повышение устойчивости функционирования системы связи в условиях внешних деструктивных воздействий.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - система связи;
фиг.2 - система связи, подвергаемая воздействиям;
фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие процессы воздействия и реконфигурации системы связи;
фиг.4 - алгоритм ранжирования.
В известных способах имеется противоречие между постоянно возрастающей сложностью СС и увеличением объема деструктивных воздействий на нее (СС) и требованиями, предъявляемыми к обеспечению устойчивости ее (СС) функционирования. Это противоречие решается в заявленном способе.
n
в
1
n
Рассмотрим возможность реализации заявленного способа на примере системы связи, включающей N структурных элементов (радиостанций, радиорелейных и тропосферных станций) и связей между ними (радиолиний, радиорелейных и тропосферных линий связи) (фиг.1), первоначально разворачивают в рабочее состояние (развертывают станции на местности, включают электропитание, настраивают линии связи), фиксируют эндогенные дестабилизирующие воздействия на ее структурные элементы, по полученным данным формируют имитационную модель системы связи, моделируют на ней дестабилизирующие воздействия. По результатам моделирования реконфигурируют имитационную модель системы связи и вычисляют вероятность нарушения ее функционирования от дестабилизирующих воздействий. При функционировании системы связи в реальных условиях эксплуатации и воздействии на нее только эндогенных деструктивных воздействий измеряют время реконфигурации системы связи после каждого деструктивного воздействия и интервалы времени после завершения реконфигурации до очередного деструктивного воздействия, а при функционировании системы в условиях внешних деструктивных воздействий (фиг.2) также подсчитывают и запоминают данные о числе воздействий m, на n-й элемент системы связи, где n=1,2…N, количество N элементов системы связи, подвергшихся деструктивным внешним воздействиям, измеряют, подсчитывают и запоминают интервалы времени  реконфигурации системы связи после каждого j-го внешнего деструктивного воздействия, где j=1,2…М, М - общее число деструктивных воздействий, интервалы времени между j-м и (j+1)-м внешними деструктивными воздействиями  и интервалы времени  функционирования системы связи после j-й реконфигурации до (j+1)-гo деструктивного внешнего воздействия (фиг.3). По полученным данным вычисляют среднее время реконфигурации формула (1), среднее время функционирования системы связи формула (2), среднее время между внешними деструктивными воздействиями формула (3), значения показателей ранжирования элементов системы (R÷R) формула (4).
min
max
После этого ранжируют пораженные элементы системы связи по максимальному значению вычисленного показателя ранжирования. Для этого выбирают минимальное R и максимальное R значения показателей ранжирования пораженных элементов системы связи. Рассчитывают размах значений показателей ранжирования пораженных элементов системы связи
Определяют шаг ранжирования
где Z - количество категорий важности элементов системы связи, Z=3. Рассчитывают диапазоны ранжирования
Далее производят классификацию пораженных элементов системы связи по принадлежности их к определенной категории важности. Сравнивают показатели и диапазоны ранжирования. Если выполняется условие (8), то пораженному элементу системы связи присваивают третью категорию. Если выполняется условие (9), то пораженному элементу системы связи присваивают вторую категорию. Если выполняется условие (10), то пораженному элементу системы связи присваивают первую категорию.
Алгоритм ранжирования представлен на фиг. 4. В блоке 1 вводятся исходные данные: количество элементов системы связи, их показатели ранжирования, количество возможных категорий важности элементов системы связи.
min
max
i
min
Δ
min
Δ
i
min
Δ
В блоке 2 определяется минимальное значение показателя ранжирования элементов СС R. В блоке 3 определяется максимальное значение показателя ранжирования элементов СС R. Затем в блоке 4 определяется размах значений показателей ранжирования элементов СС, после чего в блоке 5 определяют шаг ранжирования. Затем в блоке 6 организуется цикл по перебору показателей ранжирования пораженных элементов системы связи. В блоке 7 проверяется условие: R≤R+R, если оно выполняется, тогда осуществляется переход на блок 9, где i-му элементу СС присваивают 3-й ранг, если нет, то переход на блок 8, где проверяется условие: R+R≤R≤R+2·R. Если условие выполняется, тогда осуществляется переход на блок 10, где i-му элементу СС присваивают 2-й ранг. В противном случае осуществляется переход на блок 11, где i-му элементу СС присваивают 1-й ранг. В блоке 12 осуществляется проверка перебора показателей ранжирования всех элементов СС. Если условие выполняется, то есть определены ранги всем элементам СС, то осуществляется переход на блок 13, где происходит вывод результатов решения - значений рангов, присвоенных всем элементам СС за воздействующую сторону. В противном случае осуществляется переход на блок 6.
Достоверность вскрытия структуры системы связи воздействующей стороной (D) может быть вычислена по известной формуле (Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992, - 206 с., стр.16), формула (5).
Формирование имитационной модели системы связи по полученным данным является известной процедурой и проводится по правилам, изложенным в книге - Иванов Е. В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992. - 206 с., стр.109-124.
Моделирование деструктивных внешних воздействий осуществляется с использованием известных методов генерации (имитации), зависящих от вида распределения разыгрываемых величин, характеризующих математические ожидания времени возникновения внешних воздействий (см. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992. С.9-18). При этом в зависимости от выбранного внешнего воздействия при моделировании могут использоваться следующие методы генерации (розыгрыша) случайных величин (см. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World: Учеб. пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004, - 368 с.): метод розыгрыша случайных чисел для дискретных равномерных распределений; метод розыгрыша случайных чисел для дискретных неравномерных распределений; метод розыгрыша случайных чисел для непрерывных равномерных распределений; метод розыгрыша случайных чисел для непрерывных неравномерных распределений.
n
По результатам моделирования вычисляют число воздействий на соответствующие элементы системы связи m, средний интервал времени между дестабилизирующими внешними воздействиями  и реконфигурируют модель после каждого воздействия.
пор
пор
Сравнивают вычисленное значение достоверности вскрытия структуры системы связи воздействующей стороной D с предварительно заданным пороговым уровнем достоверности D. При превышении значения вычисленной достоверности D над пороговой D следует, что воздействующая сторона имеет достаточную информированность о структуре функционирующей системы связи. В этих условиях упреждающе реконфигурируют реально действующую систему связи. При выполнении упреждающей реконфигурации должно выполняться следующее условие (фиг.3):
Покажем расчетным путем возможность достижения сформулированного технического результата.
СС
пор
в
Расчет степени повышения устойчивости заявленного способа по сравнению со способом-прототипом приведен в Приложении 2 и выполнен для следующих исходных данных: D=0,9 - достоверность оценки структуры системы связи системой управления; D=0,85 - предварительно заданный пороговый уровень достоверности оценки структуры системы связи; N=30 - количество элементов системы связи; N=17 - количество элементов системы связи, подвергнутых внешнему деструктивному воздействию; ε=0,05 - точность оценки структуры системы связи системой управления; М=40 - общее количество воздействий на все элементы системы связи;  - среднее время функционирования элемента системы связи;  - среднее время реконфигурации элемента системы связи.
в
По результатам проведенного имитационного моделирования выявлены 3 элемента связи (№3, №12, №29), которые будут подвергнуты внешним деструктивным воздействиям. До момента внешнего воздействия произведена упреждающая реконфигурация системы связи N=17-3=14.
2мер
2
Результаты расчетов (Приложение 2) позволяют утверждать, что заявленный способ при аналогичных воздействиях с проведением мероприятий по упреждающей реконфигурации позволит обеспечить коэффициент простоя элементов системы связи 0,143 (K), а способ-прототип позволяет обеспечить коэффициент простоя элементов системы связи (K), равный 0,172.
Расчет степени повышения устойчивости заявленного способа по сравнению со способом-прототипом производится по формуле
Таким образом, устойчивость системы связи заявленного способа выше устойчивости системы связи способа-прототипа на 17,14%.
Приложение 1
Толкование используемых в описании терминов
Система связи - 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. В состав системы связи входят узлы, линии и средства связи (п.1.7. стр.71, 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.).
Элемент системы связи - узлы связи, средства связи, каналы (линии) связи (п.1.7. стр.74, 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.).
Устойчивость - способность системы связи противостоять воздействиям и различным факторам, приводящим к нарушениям функционирования ее (системы связи) элементов (стр.340, 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.).
Деструктивные воздействия - случайные и преднамеренные внешние воздействия, приводящие к выходу из строя элемента (элементов) системы связи и (или) нарушению энергетики каналов (линий) связи проявляющемуся в неудовлетворительном соотношении значений сигнал/помеха на входах приемников средств связи.
Реконфигурация системы связи заключается в изменении ее структуры, топологии, режимов работы (введении в работу резервных каналов (линий) и средств связи, восстановлении поврежденных и отказавших средств связи, изменении частот передачи, приема, мощности передачи, видов обработки сигналов, маршрутов прохождения каналов (трактов), азимутов антенн, помехозащищенных режимов и т.д.).
Приложение 2
Пример расчета устойчивости системы связи для заявленного способа
Расчет среднеквадратического отклонения количества вскрытых элементов системы связи по формуле
Расчет достоверности оценки структуры системы связи воздействующей стороной по формуле
Сравниваем рассчитанную достоверность оценки структуры системы связи воздействующей стороной с предварительно заданным пороговым
пор.
уровнем достоверности D 0,82<0,85, значит, требуется предварительная реконфигурация функционирующей системы связи.
Расчет коэффициента простоя элементов СС без проведения мероприятий по упреждающей реконфигурации
Расчет коэффициента простоя элементов СС при проведении мероприятий по упреждающей реконфигурации
Средние времена  и  определяются в результате моделирования функционирования СС без проведения и с проведением своевременной реконфигурации элементов системы связи.
За счет проведения мероприятий по своевременной реконфигурации среднее время реконфигурации элементов системы связи при прогнозировании внешних деструктивных воздействий уменьшается, так как требуется меньше времени на восстановления функционирования элемента СС. Следовательно, коэффициент простоя элемента СС уменьшается.
Расчет степени повышения устойчивости заявленного способа по сравнению со способом-прототипом проведен по формуле
Исходные данные по категориям важности элементов системы связи, количеству воздействий на элементы системы связи, средние времена функционирования и реконфигурации элементов системы связи представлены в таблице 1.
Нулями в таблице 1 отмечены элементы системы связи, не подвергшиеся внешним деструктивным воздействиям.
Расчетные значения коэффициентов интенсивности воздействия на i-e элементы СС, простоя i-x элементов СС и показателей их ранжирования представлены в таблице 2.
Таблица 1
Основные исходные данные по системе связи
N
Z
m
<img file="00000031.tif" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000032.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
1
4
24
5
2
1
4
24
5
3
1
0
24
0
4
1
3
24
5
5
1
0
24
0
6
2
3
24
5
7
2
0
24
0
8
2
3
24
5
9
2
0
24
0
10
2
2
24
5
11
2
1
24
5
12
2
0
24
0
13
2
2
24
5
14
2
0
24
0
15
2
0
24
0
16
3
3
24
5
17
3
2
24
5
18
3
3
24
5
19
3
0
24
0
20
3
0
24
0
21
3
2
24
5
22
3
0
24
0
23
3
2
24
5
24
3
2
24
5
25
3
0
24
0
26
3
2
24
5
27
3
0
24
0
28
3
1
24
5
29
3
0
24
0
30
3
1
24
5
Таблица 2
Расчетные значения коэффициентов интенсивности воздействия на i-e элементы СС, простоя i-х элементов СС и показателей их ранжирования
N
K<sub>1 i</sub>
K<sub>2 i</sub>,
R<sub>i</sub>
1
0,1
0,172413793103448
0,0172413793103448
2
0,1
0,172413793103448
0,0172413793103448
3
0
0
0
4
0,075
0,172413793103448
0,0129310344827586
5
0
0
0
6
0,075
0,172413793103448
0,0129310344827586
7
0
0
0
8
0,075
0,172413793103448
0,0129310344827586
9
0
0
0
10
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
11
0,025
0,172413793103448
0,00431034482758621
12
0
0
0
13
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
14
0
0
0
15
0
0
0
16
0,075
0,172413793103448
0,0129310344827586
17
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
18
0,075
0,172413793103448
0,0129310344827586
19
0
0
0
20
0
0
0
21
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
22
0
0
0
23
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
24
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
25
0
0
0
26
0,05
0,172413793103448
0,00862068965517242
27
0
0
0
28
0,025
0,172413793103448
0,00431034482758621
29
0
0
0
30
0,025
0,172413793103448
0,00431034482758621
Нулями в табл. 2 отмечены элементы системы связи, не подвергшиеся внешним воздействиям.
Расчетные значения показателей ранжирования i-х элементов СС, подвергнутых внешним деструктивным воздействиям, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Расчетные значения показателей ранжирования i-х элементов СС, подвергнутых внешним деструктивным воздействиям
N п/п
N<sub>в</sub>
R<sub>i</sub>
1
1
0,0172413793103448
2
2
0,0172413793103448
3
4
0,0129310344827586
4
6
0,0129310344827586
5
8
0,0129310344827586
6
10
0,00862068965517242
7
11
0,00431034482758621
8
13
0,00862068965517242
9
16
0,0129310344827586
10
17
0,00862068965517242
11
18
0,0129310344827586
12
21
0,00862068965517242
13
23
0,00862068965517242
14
24
0,00862068965517242
15
26
0,00862068965517242
16
28
0,00431034482758621
17
30
0,00431034482758621
Расчетные значения категорий важности i-x элементов СС, определенных за воздействующую сторону и ошибок их ранжирования, представлены таблице 4.
Таблица 4
Расчетные значения категорий важности i-x элементов СС, определенных за воздействующую сторону и ошибок их ранжирования
№ п/п
N<sub>в</sub>
Рассчитанная за воздействующую сторону категория важности (Z расч)
Реальная категория важности (Z реал)
Ошибка ранжирования(Q)
1
1
1
1
2
2
1
1
3
4
2
1
1
4
6
2
2
5
8
2
2
6
10
3
2
1
7
11
3
2
1
8
13
3
2
1
9
16
2
3
1
10
17
3
3
11
18
2
3
1
12
21
3
3
13
23
3
3
14
24
3
3
15
26
3
3
16
28
3
3
17
30
3
3
Итого ошибок:
6