СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ДЛЯ СИСТЕМ ВОЕННОЙ СВЯЗИ
MONITORING SYSTEM SIMULATION METHOD FOR MILITARY COMMUNICATION SYSTEMS

Изобретение относится к области моделирования сложных организационно-технических систем и может быть использовано при проектировании систем автоматизированного контроля систем военной связи.
Толкование терминов, используемых в заявке.
Под системой военной связи (СВС) понимается организационно-техническое объединение средств военной 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 мониторингом понимается наблюдение за состоянием окружающей среды для контроля, оценки, прогноза состояния и охраны (Егорова Т.В. Словарь иностранных слов современного русского языка / Т.В. Егорова. - М.: «Аделант», 2014. - 800 с., стр. 433).
Под надежностью понимается свойство объекта сохранять во времени способность выполнять функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения - М.: Стандартинформ, 2015. - 24 с., стр. 2).
Под объектом контроля (ОК) 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 17.12.2015, бюл. №2. Способ заключается в том, что формируют базу данных эталонных значений n-параметров i-го ОК, измеряют параметры i-го ОК в момент времени t, прогнозируют техническое состояние i-го ОК 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 ОК на время t+Δt, на основе сформированного решения оператор с помощью ЭВМ производит переключение на i-й ОК, 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
1
Способ-прототип заключается в том что: формируют структуру и топологию системы мониторинга, прогнозируют техническое состояние i-x ОК на интервале времени t+Δt, определяют эталонные значения норм всех n-параметров i-x ОК с учетом: количества i-x ОК, расстояния между i-ми ОК, скорости передачи информации между i-ми ОК, периодичности и продолжительности контроля технического состояния i-x ОК, формируют базу данных эталонных значений всех n-параметров i-x ОК, измеряют n-параметров i-x ОК, определяют техническое состояние i-x ОК 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 ОК.
Технической проблемой в данной области является низкая достоверность оценки моделируемых процессов из-за отсутствия: прогнозирования суммарных затрат, вызванных отказами i-х ОК без их замены, прогнозирования суммарных затрат, вызванных отказами i-х ОК, если бы их замена была произведена, моделирования определения временного интервала на предупредительную замену i-х ОК при соответствии прогнозируемых затрат, моделирования процесса восстановления i-х ОК методом предупредительной замены, моделирования процесса управления показателями надежности СВС.
Техническая проблема решается созданием способа моделирования системы мониторинга для СВС, обеспечивающего возможность повысить достоверность оценки моделируемых процессов за счет: прогнозирования суммарных затрат, вызванных отказами i-х ОК без их замены, прогнозирования суммарных затрат, вызванных отказами i-х ОК, если бы их замена была произведена, моделирования определения временного интервала на предупредительную замену i-х ОК при соответствии прогнозируемых затрат, моделирования процесса восстановления i-х ОК методом предупредительной замены, моделирования процесса управления показателями надежности СВС.
Техническая проблема решается тем, что способ моделирования системы мониторинга для СВС заключающийся в том, что моделируют структуру и топологию системы мониторинга, прогнозируют поток отказов в i-х ОК, моделируют определение эталонных значений норм всех n-параметров i-х ОК, моделируют формирование базы данных эталонных значений норм всех n-параметров i-х ОК, измеряют n-параметров i-х ОК, моделируют определение технического состояния i-х ОК, моделируют изменение и реконфигурацию системы мониторинга с учетом технического состояния i-х ОК, согласно изобретению дополнен следующими действиями: прогнозируют суммарные затраты, вызванные отказами i-х ОК без их замены, прогнозируют суммарные затраты, вызванные отказами i-x ОК, если бы их замена была произведена, моделируют определение временного интервала на предупредительную замену i-х ОК при соответствии прогнозируемых затрат, моделируют процесс восстановления i-х ОК методом предупредительной замены, моделируют процесс управления показателями надежности СВС.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
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 чертежами, на которых, показаны:
фиг. 1 - схема моделирующего алгоритма функционирования системы мониторинга для СВС;
фиг. 2 - схема процесса прогнозирования потока отказов;
фиг. 3 - временная диаграмма контроля технического состояния и предупредительных замен элементов;
фиг. 4 - схема процесса управления показателями временного интервала на предупредительную замену i-х ОК.
Реализовать заявленный способ можно в виде моделирующего алгоритма функционирования системы мониторинга для СВС, представленного на фиг. 1.
i
oi
p.зi
pi
В блоке 1 задают (вводят) исходные данные, необходимые для моделирования структуры и топологии системы мониторинга: количество ОК - I, стоимость нового i-го ОК - c, стоимость заменяемого i-го ОК - c, стоимость работ по замене i-го OK - c, средняя стоимость работ при восстановлении СВС при отказе i-го ОК - c; ущерб от последствий отказа СВС - u, расстояние между i-ми OK - R, скорость передачи информации между i-ми OK - υ, периодичность - m и продолжительность - t контроля технического состояния i-x ОК, плановый межпроверочный интервал времени - Т.
В блоке 2 моделируют структуру и топологию системы мониторинга.
Структурно-топологическое построение системы мониторинга 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).
При этом топология размещения элементов системы мониторинга представлена с учетом нескольких i-x ОК. Для каждой группы i-x ОК осуществляется генерация координат районов их размещения. Имитация координат размещения i-x ОК 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).
i
0
1i
В блоке 3 прогнозируют поток отказов ω на интервале (t-t) (фиг. 2). Прогноз проводят методом набора статистических данных на основе совокупности измеренных специализированными программами контроля параметров передаваемого по каналам связи и цифровым трактам телекоммуникационного трафика. При этом техническая реализация процесса прогнозирования известна в виде технических устройств из широкого круга технической литературы (1. Рабочая книга по прогнозированию / И.В. Бестужев-Лада. - М.: Мысль, 1982. - 430 с., стр. 281-293. 2. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б. Прогнозирование в военном деле. М., Воениздат, 1975. 279 с. С 137-271. 3 Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., стр. 158-160).
i
0
oi
i
1i
oi
зi
Статистические данные результатов прогнозирования параметра потока отказов приведены на фиг. 2: ω=const на интервале t-t, ω=f(t) на интервале t-t=t.
1i
oi
зi
В блоке 4 прогнозируют суммарные затраты, вызванные отказами i-х ОК на интервале времени t-t=t без их замены -  (фиг. 2). Причем одна затрата соответствует одному отказу. Прогноз проводят методом набора статистических данных на основе совокупности возможных отказов. При этом техническая реализация процесса прогнозирования известна в виде технических устройств из широкого круга технической литературы (1. Рабочая книга по прогнозированию / И.В. Бестужев-Лада. - М.: Мысль, 1982. - 430 с., стр. 281-293. 2. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б. Прогнозирование в военном деле. М., Воениздат, 1975. 279 с. С 137-271. 3 Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., стр. 158-160).
зi
oi
i
зi
В блоке 5 прогнозируют суммарные затраты, вызванные отказами i-х ОК на интервале времени t, если бы их замена была произведена в момент t - C(t). Замена i-го ОК требует затрат:
oi
зi
зi
Замена приводит к уменьшению числа отказов i-го ОК, после замены; это означает, что уменьшается стоимость потерь из-за отказов. Замена i-го ОК в момент времени t не позволит компенсировать затраты c уменьшением стоимости потерь из-за отказов, так как, для этого требуется некоторое время t>0. Прогноз проводят методом набора статистических данных на основе совокупности возможных отказов. При этом техническая реализация процесса прогнозирования известна в виде технических устройств из широкого круга технической литературы (1. Рабочая книга по прогнозированию / И.В. Бестужев-Лада. - М.: Мысль, 1982. - 430 с., стр. 281-293. 2. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б. Прогнозирование в военном деле. М., Воениздат, 1975. 279 с. С 137-271. 3 Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., стр. 158-160).
зi
oi
oi
i
1i
2i
зi
i
В блоке 6 моделируют определение временного интервала t на предупредительную замену i-го ОК при соответствии прогнозируемых затрат  Для этого используют результаты прогноза (блок 3), позволяющие определять t, ω и прогнозировать значения ω(t) по истечении времени на интервале t-t (фиг. 2). При определении временного интервала t учитывают особенности структуры i-х ОК, условия эксплуатации i-х ОК, периодичность контроля их технического состояния, задачи, решаемые i-ми ОК. Если в РСС имеется несколько одинаковых функциональных i-х ОК, выполняющих одни и те же функции, то при определении параметра ω учитывают не один, а все ОК.
В блоке 7 моделируют определение эталонных значений норм всех n-параметров i-х ОК с учетом: количества i-х ОК, расстояния между i-ми ОК, скорости передачи информации между i-ми ОК, периодичности и продолжительности контроля технического состояния i-х ОК, временного интервала на предупредительную замену i-х ОК. Последовательность расчетов при определении значений норм всех n-параметров i-х ОК 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 8 моделируют формирование базы данных эталонных значений норм всех n-параметров i-х ОК Порядок обработки информации и формирования базы данных в системах управления с использованием средств автоматизации описан в книгах: (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 9 измеряют n-параметров i-х ОК. Измерение производят путем сбора, накопления и уточнения статистических данных n-параметров i-х ОК с использованием 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). При этом, отказы обнаруживают только при проведении измерений через плановый межпроверочный интервал времени Т или неплановый интервал времени ϑ с момента окончания плановой проверки до момента поступления заявки на подготовку и применение системы мониторинга (фиг. 3).
Ti
oi
Количество межповерочных интервалов времени Т- n в случае, когда замена элемента производится в момент времени t (фиг. 2), определяется по формуле:
i
Если вероятность отказа i-го ОК на интервале Т - Q(T), то среднее число интервалов T с отказами определяется по формулам:
зi
oi
зi
зi
При замене элемента по истечении времени T=t+t для интервала t среднее число интервалов T с отказами определяют по формуле:
где
Определяют вероятность попадания заявки на интервал времени Т с отказом i-го ОК по формулам:
В блоке 10 моделируют определение технического состояния i-х ОК с учетом результатов измерений и определения временного интервала на предупредительную замену неработоспособных i-х ОК. Техническое состояние выбранных i-х ОК проводят путем сравнения измеренных значений n-параметров и требуемых значений n-параметров, характеризующих техническое состояние i-х ОК (ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения - М.: Стандартинформ, 2015. - 24 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 случае, если СВС находится в работоспособном состоянии (блок 11), то управление передается блоку 16.
В случае, если СВС находится в неработоспособном состоянии (блок 11), то управление передается блоку 12.
В блоке 12 моделируют процесс восстановления i-х ОК методом предупредительной замены. Переводят i-е ОК и (или) СВС из прогнозируемого неработоспособного состояния в работоспособное. При этом, неработоспособные i-е ОК заменяют новыми или заранее отремонтированными и применяют совокупность приемов, выполняемых на одном рабочем месте установленными для выполняемой операции средствами ремонта (1. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2016). 2. ГОСТ 18322-78 Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2007).
В блоке 13 моделируют процесс управления показателями надежности СВС.
oi
зi
i
В случае замены i-го ОК в момент t параметр потока его отказов на интервале времени t постоянен, то для определения Q(T) используют экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы:
oi
i
i
ср.i
oi
1i
В случае отсутствия предупредительной замены i-го элемента в момент t параметр ω(t)≠const используя экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы и путем введения вместо ω усредненного значения ω≈(ω+ω)/2 определяют  (фиг. 4):
зi
i
зi
oi
уi
Для определения t определяют C(t) с учетом среднего ущерба из-за неготовности СВС по причине отказа i-го ОК при его замене в момент времени t-с:
уi
Показатель с - определяют с помощью выражения:
oi
В случае отсутствия предупредительной замены i-го ОК в момент t используют показатель:
1i
oi
зi
Суммарные затраты, вызванные отказами i-го ОК на интервале времени t-t=t без его замены определяют по формуле:
При управлении показателями надежности используют равенство прогнозируемых затрат
зi
Используя выражение (12) определяют необходимый для обоснования надежности показатель. Например, для определения t используют выражение:
где
В случае, если СВС после восстановления i-х ОК и возможности управления показателями временного интервала находится в работоспособном состоянии (блок 14), то управление передается блоку 16.
В случае, если СВС после восстановления i-х ОК и возможности управления показателями временного интервала находится в неработоспособном состоянии (блок 14), то управление передается блоку 15.
В блоке 15 моделируют изменение и реконфигурацию системы мониторинга с учетом технического состояния СВС. Реконфигурация системы мониторинга заключается в изменении ее структуры, топологии, режимов работы (введении в работу резервных каналов (линий) и ОК, восстановлении поврежденных и отказавших ОК, 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 16, 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 системы 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 Φ - функция Лапласа;
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.
Достоверность результатов моделирования системы мониторинга для СВС определяется по формуле:
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:
Для случая, когда  вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая  Тогда:  Определим  и  принимая ε=0,05, а k=7, n=1000 для каждого материального действия, тогда N=1000 для прототипа при моделировании: а) формирования структуры и топологии, б) прогнозирования потока отказов, в) определения эталонных значений норм всех n-параметров, г) формирования базы данных эталонных значений норм всех n-параметров, д) измерения n-параметров, е) определения технического состояния i-х объектов контроля, ж) изменения и реконфигурации системы мониторинга и k=12, n=1000 для каждого материального действия, тогда N=12000 для предлагаемого способа дополнительно к функциям прототипа при моделировании: з) прогнозирования суммарных затрат без замены i-х ОК, и) прогнозирования суммарных затрат с учетом замены i-х ОК, к) определения временного интервала, л) восстановления i-х ОК, м) процесса управления показателями временного интервала.
Оценка эффективности заявленного способа:
Таким образом, решается техническая проблема.