Теоретические положения обоснования структуры автоматизированных систем управления специального назначения

НАУКА И АСУ 2014

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Ревин С.А.,

Центрального научно-исследовательского института Военно-воздушных сил Минобороны Российской Федерации Сарычев А.П., Центрального научно-исследовательского института экономики, информатики и систем управления

Ключевые слова:

структура АСУ, эффективность АСУ, живучесть АСУ, устойчивость АСУ, кластерный анализ.

АННОТАЦИЯ

Предлагается методический подход к обоснованию структуры автоматизированной системы управления специального назначения. В основу методического подхода положен компромисс между требованием обеспечения устойчивости управления и принципом минимизации суммарных информационных потоков в системе. Представлены вербальная постановка задачи, принцип обоснования структуры системы и метод синтеза информационных структур, реализующий предложенный принцип. Показаны частные вопросы, связанные с реализацией предложенного метода: графоаналитическое представление информационных потоков, применение методов кластерного анализа, подход к определению устойчивости систем управления. Рассмотрены предельные варианты построения АСУ СН, которыми являются: вариант с одним центром обработки информации, который совмещен с тем источником информации или исполнительным устройством, с которым у него будет наибольший информационный обмен и вариант, у которого количество центров обработки определяется количеством решаемых комплексов задач.

SCIENCE AND ACS 2014

US

RESEARCH

Одной из задач, возникающей при создании автоматизированных систем управления специального назначения (АСУ СН), является обоснование их структуры. Исторически сложилось, что структура АСУ СН соответствует организационно-штатной структуре управляемых сил, следовательно, задача обоснования структуры АСУ СН не ставилась и подходы к её решению не рассматривались.

Представим функционирование АСУ СН как процесс преобразования (обработки) значительного объема информации в сжатые временные сроки. Если принять, что как процессы управления более статичны, по отношению к структуре АСУ СН, то справедливо утверждение, что преобразование входной информации в управляющую информацию может быть реализовано различными вариантами построения АСУ СН. Необходимо определить такой вариант построения системы, назовем его рациональным, который в наибольшей степени будет соответствовать современным возможностям обработки информации. Вербальная постановка задачи определения структуры АСУ СН формулируется следующим образом: для заданного алгоритма преобразования (обработки) информации необходимо определить такой вариант построения АСУ СН, назовем его рациональным, который будет соответствовать современным возможностям обработки и передачи информации и позволит реализовать процессы управления с учетом обеспечения требований к системе, в первую очередь к устойчивости управления.

Предлагается в основу принципа обоснования структуры АСУ СН положить компромисс между требованием минимизации суммарных информационных потоков в системе и требованием обеспечения устойчивости управления. Следует отметить, что минимизация суммарных информационных потоков в АСУ СН способствует повышению оперативности и может привести к снижению суммарных затрат на её разработку.

На основе данного принципа разработан метод синтеза информационных структур, для иллюстрации которого введем следующие понятия:

перечень источников информации (датчики информации) Я;

процессы управления и(Еи,Би), преобразующие информацию от источников информации в управляющую информацию (команды, сигналы, распоряжения и т.д.);

исполнительные устройства Б, преобразующие управляющую информацию в действие;

временной диапазон [0...Т] наиболее интенсивного функционирования рассматриваемой системы.

Источниками информации могут являться авиационные комплексы, осуществляющие воздушную разведку и передающие информацию на наземные пункты обработки, контейнеры бортовых комплексов разведки, извлекаемые после посадки самолетов, передовой авиационный наводчик, передающий информацию на борт самолета, радиолокационные станции и т.д.

Процессы управления и(Еи,Би) - взаимосвязанная совокупность операций по преобразованию информации в интересах обеспечения применения управляемых сил (средств), где Еи - совокупность решаемых задач, Би - со-

вокупность информационных связей между задачами.

Исполнительными устройствами Б являются авиационные комплексы различного функционального назначения, силы (средства) обеспечивающие подготовку авиационных комплексов к вылету, подготовку и ввод полетных заданий в прицельно-навигационный комплекс самолетов и т.д.

Временной диапазон функционирования АСУ СН выбирается исходя из требований наибольшей загрузки системы и длительности, обеспечивающей получение представительных оценок.

Основой обоснования рациональной структуры АСУ СН является анализ информационных потоков. Для разработки информационной модели АСУ СН необходим анализ предметной области с целью выявления функций, операций, концептов (понятий), информационных объектов и взаимосвязей между ними, т.е. необходимо осуществить спецификацию онтологий предметной области. Разработка данной модели является трудоёмким процессом, требующим привлечения значительного количества специалистов. Для анализа процессов управления АСУ СН, предлагается использовать метод, основанный на графоаналитическом представлении процессов преобразования информации (информационных потоков) и заключающийся в использовании размеченного графа иллюстрирующего объем и направление передачи информации. Структурные отношения между процессами преобразования информации описываются булевой матрицей инцидентности и матрицей смежности. Строки булевой матрицы инцидентности соответствуют вершинам, а столбцы - рёбрам орграфа; при этом её элемент ау равен +1, если Е1 - начальная вершина ребра, и -1, если Е1 - конечная вершина ребра. В случае взаимного обмена информацией ау = 2. Строки и столбцы матрицы смежности соответствуют вершинам орграфа и(Еи,Би), а её Су-й элемент описывает интенсивность информационного обмена.

Таким образом, для представления процессов управления АСУ СН, предлагается использовать метод, основанный на графоаналитическом представлении процессов преобразования информации (информационных потоков) и заключающийся в использовании размеченного графа иллюстрирующего обработку и направления передачи информации. При этом связям приписываются веса, характеризующие интенсивность информационного обмена между смежными задачами. Фактически данный метод является расширением методологии структурного анализа и проектирования БАБТ (1БЕБ0). В графическом представлении система ГОЕБО-моделей - это иерархически организованная совокупность диаграмм, состоящих из блоков, соединенных дугами, где верхняя диаграмма является наиболее общей, а нижние диаграммы являются детализацией предыдущих.

Суть метода синтеза информационных структур заключается в выделении в графе и(Еи,Би) кластеров (областей) по принципу минимизации информационного обмена между кластерами (рис. 1).

При таком подходе предельными вариантами построения АСУ СН являются:

us

RESEARCH

НАУКА И АСУ 2014

вариант с одним центром обработки информации, который совмещен с тем источником информации или исполнительным устройством, с которым у него будет наибольший информационный обмен;

вариант, у которого количество центров обработки совпадает с вершинами Eu графа U(Eu,Su) -количеством решаемых задач.

Первый вариант характеризуется минимальной стоимостью, наибольшей оперативностью и крайне низкой степенью живучести системы и, следовательно, устойчивостью управления.

Второй вариант характеризуется значительной стоимостью, наименьшей оперативностью и возможностью за счет дублирования функций обеспечить высокую живучесть системы.

Предлагается на основе методов кластерного анализа найти компромиссное решение. Кластерный анализ представляет собой класс методов, используемых для классификации объектов или событий в относительно однородные группы, которые называют кластерами (clusters). Определяющими кластерного анализа являются: выбор меры расстояния; выбор метода кластеризации; принятие решения о количестве кластеров. Методы кластеризации могут быть иерархическими и неиерархическими. Иерархическая кластеризация (hierarchical clustering) характеризуется построением иерархической, или древовидной, структуры. Иерархи-

ческие методы могут быть агломеративными (объединительными) и дивизивными. Для решения поставленной задачи предлагается использовать иерархический метод кластеризации, а именно агломеративную кластеризацию (agglomerative clustering). Данная кластеризация начинается с каждого объекта в отдельном кластере. Кластеры объединяют, группируя объекты каждый раз во все более и более крупные кластеры. Этот процесс продолжают до тех пор, пока все объекты не станут членами одного единственного кластера.

Основной вопрос кластерного анализа - вопрос о количестве кластеров. В рассматриваемом случае кластер это прототип комплекса средств автоматизации. Исходя из специфики предметной области, при выборе количества кластеров предлагается оценивать устойчивость АСУ СН.

Устойчивость АСУ СН - комплексное свойство АСУ СН, характеризуемое помехоустойчивостью, надежностью и живучестью АСУ.

Определим живучесть АСУ СН как свойство системы и отдельных её элементов сохранять или восстанавливать способность выполнять свои функции в условиях воздействия различных средств поражения (подавления) противника. Традиционные показатели живучести, такие как вероятность функционирования объекта с заданными характеристиками и математическое ожидание количества функционирующих элементов, применимы только для отдельных объектов (например, узел связи КП) или

SCIENCE AND ACS 2014

US

RESEARCH

группы однотипных объектов (например, танковая рота на марше) соответственно. АСУ СН относится к категории систем, имеющих эмерджентные свойства сложной природы, и поэтому перечисленные показатели не могут быть применимы. Исходя из приведенного определения живучести, и с учетом комплексного влияния АСУ СН на возможности управляемых сил и средств, предлагается живучесть АСУ СН оценивать показателями, отражающими изменение реализуемых возможностей управляемых сил (средств) в динамике функционирования. Динамический характер данного показателя позволит оценить, как способность системы противостоять деструктивному воздействию противника, так и способность восстановить значение своих характеристик.

Аналогичная оценка помехоустойчивости и надежности АСУ СН позволит через изменение эффективности применения управляемых сил (средств) оценить устойчивость управления.

Решение о количестве кластеров принимает экспертная группа на основе анализа различных структур АСУ СН с учетом их устойчивости, и стоимости реализации.

В целом, проблема определения рациональной структуры АСУ СН носит комплексный характер и требует взвешенного решения с учетом множества факторов (организационная структура управляемых сил и средств, ин-

формационные потоки, возможности управляемых сил и средств и т.д.).

Литература

1. Буренин А.Н., Легков К.Е. Особенности архитектур, функционирования, мониторинга и управления полевыми компонентами современных инфокоммуникаци-онных сетей специального назначения // Н&ЕБ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2013. -№ 3. - С. 20-25.

2. Буренин А.Н., Легков К.Е. Некоторые модели управления безопасностью инфокоммуникационных сетей специального назначения // Н&ЕБ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2013. - № 4. -С. 46-50.

3. Буренин А.Н., Легков К.Е. Модели обнаружения атак при управлении оборудованием современной инфоком-муникационной сети специального назначения // Н&ЕБ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2013. -№ 5. - С. 26-31.

4. Легков К.Е., Буренин А.Н.К вопросу управления эффективностью инфокоммуникационных систем специального назначения // Н&ЕБ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2014. -№ 1. -С.38-43.

THE THEORETICAL FRAMEWORK OF THE STUDY STRUCTURE OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF SPECIAL DESIGNATION

Revin S.,

Institute of Air forces

of Department of defense of Russian Federation Sarychev A., Institute of Economy, Informatics and Control Systems

Abstract

The methodical going is offered near the ground of structure of automated control system of special designation. In basis of methodical approach a compromise is fixed between the requirement of providing of management stability and principle of minimization of total dataflow in the system. The verbal raising of task, principle of ground of structure of the system and method of synthesis of informative structures, realizing the offered principle, is presented. The private questions related to realization of the offered method are shown: graph-analytic presentation of informative streams, application of methods of cluster analysis, going near determination of stability of control system.

The marginal data variants are considered constructions of ACS of special designation, that it is been: variant with one center of treatment of information, that is combined with a that

information generator or executive device, with that he will have a most informative exchange and variant at that amount of centers of treatment is determined the by the amount of the decided complexes of tasks.

Keywords: structure of ACS, efficiency of ACS, survivability of ACS, stability of ACS, clustering analysis.

References

1. Burenin A.N., Legkov K.E. Feature of architecture, functioning, monitoring and management of field components of modern infokommunikatsionny networks of special purpose / A.N. Burenin, K.E.Legkov//H&ES: High technologies in space researches of Earth. - 2013.-№ 3. - pp. 20-25.

2. Burenin A.N., Legkov K.E. Some of model of management of safety of infokommunikatsionny networks of special purpose / A.N. Burenin, K.E.Legkov//H&ES: High technologies in space researches of Earth. - 2013.-№ 4. - pp. 46-50.

3. Burenin A.N., Legkov K.E. Model of detection of attacks at management of the equipment of a modern infokommunikatsionny network of special purpose / A.N. Burenin, K.E.Legkov// H&ES: High technologies in space researches of Earth. - 2013.-№ 5. - pp. 26-31.

4. Legkov K.E., Burenin A.N. To a question of management of efficiency of infokommunikatsionny systems of special purpose //H&ES: High technologies in space researches of Earth. -2014.-№ 1. - pp. 38-43.