СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ И АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DISTRIBUTED MONITORING AND ADAPTIVE CONTROL OF MULTILEVEL SYSTEM AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Заявленные технические решения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к электротехнике, а именно к области контроля и управления многоуровневыми распределенными системами, и могут быть использованы, например, при проектировании глобальных систем управления территориально распределенных сетей связи.
Известны способы контроля и управления сложными техническими системами, описанные в работе Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. - М.: Радио и связь, 1985. - С.268-269. Так в описанном в данной работе способе стохастического управления предусмотрена следующая последовательность действий:
- по заданным характеристикам известной системы и по известным вероятностным характеристикам помех находят алгоритм управления, обеспечивающий экстремум выбранного критерия качества;
- оценивают состояние системы;
- идентифицируют состояние системы;
- принимают решение на управляющее воздействие.
Недостатком данного способа является то, что для его осуществления необходимы сведения о корреляционных функциях сигнала ошибки, что делает практически невозможным использование данного способа для управления распределенной системой, поскольку в данном случае такие сведения отсутствуют.
Также известен способ адаптивного управления телекоммуникационной сетью (см. Будко П.А., Федоренко В.В. Управление в сетях связи. Математические модели и методы оптимизации. - Москва: Издательство физико-математической литературы, 2003. - С.201 - 209., рис.5.13; Будко П.А. Фомин Л.А., Гахова Н.Н. Информационные аспекты внутренней организации телекоммуникационных систем. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003, №6, с.10-19). Последовательность действий при реализации данного способа заключается в следующем:
- находят экстремум в области пространства адаптации некоторых показателей качества функционирования сети, например коэффициента загрузки каналов по критерию минимального времени доставки информации;
- идентифицируют (распознают) параметры состояния сети и источников возмущений;
- изменяют структуру и параметры с целью приведения сети к оптимальному состоянию, что приводит к совмещению функций управления и обучения.
В данном способе процесс адаптивного управления достигается за счет компромиссного удовлетворения двух противоречивых требований: достижение быстродействия без достаточного объема информации о состоянии и текущих свойствах сети; избыточное накопление информации, приводящее к запаздыванию принятых управленческих воздействий.
Недостатком данного аналога для распределенной системы является возникновение так называемых блокировок совмещения, поскольку с ростом деградации системы количество управляющей информации резко возрастает. Такое состояние системы наиболее опасно даже в сетях с выделенными каналами для передачи служебной информации. Необходимо решение задачи сокращения объемов управляющей информации.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу (прототипом), является способ контроля и управления интеллектуальной сетью (см. Стеклов В.К., Беркман Л.Н. Оценка объема управляющей информации в информационных сетях. // Электросвязь. - 2000. - №6. - С.34-36), заключающийся в следующей последовательности действий:
- предварительно устанавливают пороговые значения на контролируемые параметры каждого узла системы;
1
2
n
- измеряют обобщенный показатель качества в виде вектора переменных состояний на каждом из N узлов системы , где z(t); z(t);…z(t) - значения измеренных параметров во времени (t), n=1, 2, …, N;
- сравнивают измеренные параметры с установленными пороговыми значениями;
- оценивают состояние системы по результатам сравнения;
- формируют управляющее воздействие на систему по результатам оценки.
Недостатком ближайшего аналога является высокая вероятность блокировки сети, обусловленная наличием большого объема управляющей информации, поскольку в процессе выработки управляющего воздействия постоянно используется вся доступная измерению информация, что в распределенной системе (на глобальном контуре управления) перенасыщает каналы связи и управления транзитными потоками информации. Это объясняется тем, что в процессе функционирования сети все измерительные средства находятся в активном состоянии (под нагрузкой). Кроме того, в системе отсутствует контур управления, связанный с воздействием на источник возмущений, что также может приводить к постоянным блокировкам системы (блокировкам совмещения).
Известно устройство адаптивной системы передачи информации, реализующее описанный выше способ (Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. - М.: Радио и связь, 1985. - С.268, рис.7.1.), которое состоит из системы передачи информации, источника возмущений и помех, устройства идентификации, регистрирующего устройства и устройства управления.
Недостатком данного устройства является относительно низкая достоверность контроля, обусловленная тем, что в способе не учитывают ошибки первого и второго рода («риск заказчика» и «риск потребителя»).
Также наличие всего одного контура управления для распределенной системы требует измерения и обработки огромного числа параметров, и, как следствие, увеличения времени контроля и объемов передаваемой управляющей информации.
Также известно устройство автоматического контроля объекта (Фомин Л.А., Черноскутов А.И. Оптимизация ошибок при двухэтапной процедуре контроля // Автоматика и вычислительная техника. - 1975. - №3. - С.34-37), содержащее блок регистрации, два элемента И, блок сравнения, первый выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй выход - с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к первому входу блока регистрации, блок суммирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блоки преобразования, подключенные каждый своим выходом к одному из входов блока суммирования и входов - к соответствующему информационному входу устройства, датчик случайных чисел, первый выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход - с вторым входом второго элемента И, блок управления, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и вторым входом блока регистрации.
Недостатком данного устройства является то, что в нем при осуществлении контроля состояния объекта назначение допусков на каждый параметр приводит к большим ошибкам классификации и, кроме того, не производится учет перекрытия распределений значений параметров для исправных и неисправных объектов, когда безошибочная классификация невозможна. Также для контроля сложных технических систем и выявления факта их отказа необходимо производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.
Наиболее близким к заявленному устройству распределенного контроля многоуровневой системы является устройство принятия решения (см. Фомин Л.А., Будко П.А. Эффективность и качество инфокоммуникационных систем. Методы оптимизации. - М: Физматлит, 2008. - С.146-157, рис.3.15), работающее в соответствии с графом распознавания работоспособности системы, реализующим условие нахождения оптимального значения порогов классификации, обеспечивающих минимальную ошибку идентификации состояния системы, при этом, в сравнении с описанным выше устройством, в него введены дополнительный блок преобразования, два блока формирования пороговых значений, второй блок сравнения, третий элемент И и элемент ИЛИ. Датчик случайных чисел заменен генератором искусственного трафика. Элемент ИЛИ подключен своими входами к выходам первого и третьего элементов И, выходом - к первым входам блоков формирования пороговых значений и к третьему входу блока регистрации, подсоединенного вторым входом к первому выходу первого блока сравнения и первому входу третьего элемента И. Второй выход блока сравнения соединен со входами блоков преобразования и с третьими входами первого и второго элементов И. Первый вход первого блока сравнения подключен к выходу дополнительного блока преобразования, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора искусственного трафика и входом системы, вторые входы блоков сравнения подключены к выходам соответствующих блоков формирования пороговых значений, вторые входы которых соединены с выходом блока управления, третьи входы- с выходом второго элемента И, второй вход третьего элемента И соединен с первым выходом генератора искусственного трафика.
Недостатком прототипа является то, что в блоке формирования пороговых значений назначение допусков на параметры системы осуществляется без учета ее технического состояния, загрузки каналов связи и буферных устройств узлов коммутации.
Технический результат, достигаемый с помощью заявленных способа и устройства, заключается в снижении вероятности блокировки системы путем уменьшения передаваемого объема управляющей информации за счет ее перераспределения по уровням (контурам) управления.
nop
пop
nop
В заявленном способе технический результат достигается тем, что в известном способе распределенного контроля и адаптивного управления телекоммуникационной системой, находящейся под воздействием случайных возмущений, основанном на том, что при функционировании системы в условиях воздействия на нее дестабилизирующих факторов предварительно устанавливают пороговые значения контролируемых параметров каждого из узлов, образующих систему, измеряют на каждом узле системы его параметры, сравнивают значения измеренных параметров с пороговыми, по результатам сравнения оценивают состояние системы и при отклонении состояния системы от допустимого формируют управляющее воздействие на систему. При этом К≥3-уровневую систему, включающую N(k) узлов на k-ом уровне, где k=1, 2, … К, а n(k)-й узел, где n(k)=1, … 2, N(k), характеризуют М(k, n) параметрами, состояние системы контролируют на К уровнях, для чего пороговые значения параметров z(k, n, m), где m=1, 2, …, М(k, n) предварительно задают для узлов каждого из К уровней, после чего измеряют значения z(k, n, m) параметров узлов каждого уровня и сравнивают их с предварительно заданными соответствующими пороговыми значениями z(k, n, m), причем оценку состояния системы проводят поэтапно на К этапах, на первом этапе сравнивают пороговые и измеренные значения параметров узлов системы, принадлежащих первому уровню управления, и если их значения не выходят за пределы пороговых, то систему считают работоспособной, в противном случае вырабатывают управляющее воздействие для последовательной оценки состояния узлов системы, принадлежащих k=2, 3, …, К уровням управления, для чего сравнивают измеренные и пороговые значения параметров узлов системы k-го уровня, в случае если измеренные параметры узлов системы k-го уровня управления не выходят за пределы пороговых, состояние узлов k-го уровня считают работоспособными, в противном случае фиксируют неработоспособность узлов k-го уровня и выделяют его параметры, не удовлетворяющие пороговым, в соответствие с чем вырабатывают управляющее воздействие на восстановление параметров узлов k-го уровня управления, причем пороговые значения параметров z(k, n, m) задают на основе априорных сведений о текущем состоянии системы на всех уровнях управления, формируя контур обратной связи системы.
Благодаря введению многоэтапного принципа контроля состояния многоуровневой системы удается в значительной мере сократить обмен циркулирующей информации, поскольку на первом этапе используется в основном локальная информация о состоянии подсистемы. Объем управляющей информации нарастает по мере введения новых уровней управления.
Контур управления, связанный с воздействием на источник возмущения, на основе анализа помехи, необходим для предотвращения внутренних блокировок, и степень этого воздействия определяется в результате решения второй обратной задачи - идентификации.
В заявленном устройстве технический результат достигается тем, что в известном устройстве распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой, осуществляющего способ распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой, содержащем блок измерения обобщенного показателя, входная шина «обобщенный показатель» которого подключена к выходной шине «обобщенный показатель» многоуровневой системы (МУС), входы «помеха» которой подключены к выходам источника возмущений, МУС снабжена информационными входом и выходом, а управляющий выход блока регистрации и управления подключен к управляющим входам МУС и источника возмущений. Причем в него дополнительно введены блок принятия решения и К блоков измерения, где К≥3 общее число уровней контроля и управления МУС. При этом входная шина «параметры системы k-го уровня» k-го блока измерения, где k=1, 2, …, К, подключена к выходной шине «параметры системы» соответствующего уровня контроля и управления МУС, выход блока измерения обобщенного показателя подключен к входу «обобщенный показатель» блока принятия решения, N(k)×M(n, k) выходов «параметры» k-го блока измерения, где N(k) - число узлов, принадлежащих k-му уровню МУС, а М(n,k) - число параметров n-го узла, принадлежащего k-му уровню МУС, подключены к соответствующим группам входов «параметры» блока принятия решения, снабженного дополнительно входной шиной «априорное состояние системы», выходы «обучение» и «норма» блока принятия решения подключены к одноименным входам блока регистрации и управления, К+1 входов «ошибка» которого подключены к соответствующим выходам «ошибка» блока принятия решения.
Блок принятия решения состоит из обнаружителя, распознавателя и К идентификаторов. При этом входная шина «априорное состояние системы» и вход «обобщенный показатель» обнаружителя являются одноименными входной шиной и входом «обобщенный показатель» блока, прямой выход и выход «обучение» обнаружителя являются соответственно выходами «норма» и «обучение» блока, N(k×M)(n, k) входы «параметры» k-го идентификатора являются соответствующей группой входов «параметры» блока, прямой выход и выход «состояние» обнаружителя подключены соответственно ко второму и первому входам распознавателя, кроме того, выход «состояние» обнаружителя подключен к первым разрядам трехразрядных сдвоенных К групп входов распознавателя, вход «признаки» k-го идентификатора, начиная с k=2, соединены с инверсным выходом k-1-го идентификатора, и вторыми разрядами трехразрядной сдвоенной k-й группы входов распознавателя, а вход «признаки» первого идентификатора (k=1) также соединен с инверсным выходом обнаружителя, при этом прямой выход k-го идентификатора соединен с третьим разрядом первого строенного входа k-ой группы входов распознавателя, а инверсный выход k-го идентификатора - с третьим разрядом второго строенного входа k-ой группы входов распознавателя, первый и последующие К выходов которого являются выходами «ошибка» блока.
Обнаружитель блока принятия решения состоит из преобразователя признака «обобщенный показатель», элемента сравнения, формирователя пороговых значений, RS-триггера, генератора искусственного трафика и элемента управления. При этом входная шина «априорное состояние системы», вход «обобщенный показатель» и выход «обучение» являются одноименными шиной, входом и выходом блока принятия решения, а прямой выход - его выходом «норма», выход «состояние» соединен с генератором искусственного трафика и преобразователем признака «обобщенный показатель», первый вход которого соединен с входом «обобщенный показатель», данный преобразователь признака другим своим выходом соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого подключен к первому выходу формирователя пороговых значений, соединенного с входной шиной «априорное состояние системы», второй выход формирователя пороговых значений является первым выходом обнаружителя, а третий - его вторым выходом, при этом он соединен с элементом управления, R-входом триггера и является выходом «обучение» блока принятия решения, также S-вход триггера соединен с элементом сравнения, а его прямой и инверсный выходы являются одноименными выходами обнаружителя, элемент управления своим выходом соединен с генератором искусственного трафика.
Идентификаторы блока принятия решения состоят из М преобразователей признаков «параметры», сумматора, элемента сравнения и RS-триггера. При этом k-я группа М входов «параметры» является одноименной группой входов k-го идентификатора, причем, каждый m-й вход, m=1, 2,…, М, данной группы и выход идентификатора «признаки» соединены соответственно с первым и вторым входами m -го преобразователя признаков «параметры», выходы которых поступают на соответствующие входы сумматора, выход которого в свою очередь соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с первыми входом и выходом идентификатора, выход элемента сравнения является S-входом триггера, R-вход которого соединен с вторыми входом и выходом идентификатора, а прямой и инверсный выходы триггера являются одноименными выходами идентификатора, при этом в идентификаторе верхнего уровня управления (k=К) второй вход элемента сравнения соединен только с первым входом, а R-вход триггера - только с вторым входом идентификатора.
Распознаватель блока принятия решения состоит из первого элемента И, К сдвоенных групп элементов И и К элементов ИЛИ. При этом первый и второй входы распознавателя соединены с соответствующими входами первого элемента И, выход которого является его первым выходом «ошибка», первые, вторые и третьи разряды трехразрядных сдвоенных К групп входов распознавателя соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими входами К сдвоенных групп элементов И, выходы которых попарно подключены к обоим входам К элементов ИЛИ, выходы которых являются К выходами «ошибка» распознавателя.
0
0
0
Поскольку реализация способа осуществляется с применением методов статистической теории распознавания образов и статистической теории принятия решений, то критерием качества является суммарная ошибка классификации (сумма ошибок первого и второго рода), которые возникают на первом и последующих этапах контроля. Это обстоятельство использовано для построения блока принятия решения, в котором при формировании порогов используются априорные сведения о состоянии системы при нормальном функционировании и при возникновении аномалий. Эти состояния моделируются при формировании пороговых значений x, y, …, y в блоке измерений с помощью генератора искусственного трафика в процессе обучения.
Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - структурная схема, устройства распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой;
на фиг.2 - функциональная схема блока принятия решения;
на фиг.3 - принципиальная схема обнаружителя;
на фиг.4 - принципиальная схема идентификаторов нижних уровней управления;
на фиг.5 - принципиальная схема идентификатора верхнего уровня управления;
на фиг.6 - принципиальная схема распознавателя;
на фиг.7 - результаты плотностей распределения признаков в соответствии с критерием Неймана-Пирсона (для простоты - закона распределения Релея);
на фиг.8 - граф распознавания работоспособности многоуровневой системы, реализующий поэтапный принцип принятия решения;
на фиг.9 - графики зависимости сокращения объема информации за счет использования многоэтапной процедуры контроля.
пор
пop
пop
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом. Многоуровневую систему, включающую N(k) узлов на k-м уровне, в условиях воздействия на нее дестабилизирующих факторов, контролируют на К уровнях, где К≥3, k=1, 2, …,К. При этом каждый n(k)-й узел, где n(k)=1, 2, …, N(k), характеризуют M(k, n) контролируемыми параметрами, на которые предварительно устанавливают пороговые значения z(k, n, m), где m=1, 2, …, M(k, n). В ходе контроля функционирования системы измеряют значения z(k, n, m) параметров узлов каждого уровня и сравнивают их с предварительно заданными соответствующими пороговыми значениями z(k, n, m). При этом оценку состояния системы проводят поэтапно на К этапах. На первом этапе сравнивают пороговые и измеренные значения параметров узлов системы, принадлежащих первому уровню управления. Если их значения не выходят за пределы пороговых, то систему считают работоспособной, в противном случае вырабатывают управляющее воздействие для последовательной оценки состояния узлов системы, принадлежащих k=2, 3, …, К уровням управления, для чего сравнивают измеренные и пороговые значения параметров узлов системы k-го уровня. В случае если измеренные параметры узлов системы k-го уровня управления не выходят за пределы пороговых, состояние узлов k-го уровня считают работоспособными. В противном случае фиксируют неработоспособность узлов k-го уровня и выделяют его параметры, не удовлетворяющие пороговым, в соответствие с чем вырабатывают управляющее воздействие на восстановление параметров узлов k-го уровня управления. Причем пороговые значения параметров z(k, n, m) задают на основе априорных сведений о текущем состоянии системы на всех уровнях управления, формируя контур обратной связи системы.
При коллективном использовании ресурсов в распределенной на огромной территории глобальной многоуровневой системе их невозможно распределить по запросам без дополнительных усилий, поскольку конкурирующие за ресурс требования не могут самостоятельно организоваться в согласованную очередь. Возникает самостоятельная задача распределенного управления, требующая преодоления трудностей при попытке создания централизованной системы управления из-за неизбежно возникающих задержек. Проблемы, связанные с маршрутизацией в области распределенного управления, преодолеваются путем использования распределенной адаптивной маршрутизации. Маршруты формируются по мере необходимости в соответствии с текущим состоянием системы. По системе передаются управляющие пакеты корректировки маршрутизации о текущих длинах очередей и возникающих перегрузках. Этим пакетам присваивается низкий приоритет при распределении вычислительной мощности, что не всегда оправдано. Реально эти потоки пакетов корректировки используют те же дорогостоящие ресурсы системы и дополнительно ее перегружают. В заявленном способе вместо периодической корректировки предлагается ряд методов апериодической корректировки, при которой эти пакеты отправляются только в том случае, когда параметры состояния системы превысят определенные пороговые значения, а также ряд процедур, вырабатывающих решения о маршрутизации на основе локальной информации о длинах очередей в конкретном узле с учетом знания текущей топологии и автоматическим отслеживанием изменений конфигурации системы, то есть создавая локальные контуры управления.
Фактически такая процедура реализует многоэтапный принцип принятия решения, переходя к децентрализованному способу контроля и управления распределенными глобальными многоуровневыми системами.
Заявленное устройство распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой, показанное на фиг.1, состоит из самой многоуровневой системы 1, входы «помеха» которой подключены к выходам источника возмущений 2, блока измерения обобщенного показателя 3, входная шина «обобщенный показатель» которого подключена к выходной шине «обобщенный показатель» многоуровневой системы 1, при этом МУС снабжена информационными входом и выходом, а также выходными шинами, параметры системы k-го уровня, где k=1, 2, …, К; К≥3, связанными с одноименными шинами блоков измерения 4.1, 4.2, …, 4. К на каждом уровне управления, которые через М своих выходов «параметры» связаны с К группами одноименных входов блока принятия решения 5, снабженного дополнительно входной шиной «априорное состояние системы», входом «обобщенный показатель» связанным с выходом блока измерения обобщенного показателя, выходами «обучение», «норма» и «ошибка», подключенных соответственно к одноименным входам блока регистрации и управления 6, имеющим управляющий выход, замыкающийся на управляющие входы многоуровневой системы и источника возмущений.
Блок принятия решений 5, показанный на фиг.2, устройства распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой предназначен для обнаружения неработоспособного состояния системы, идентификации уровня разукрупнения системы (узла), на(в) котором произошел отказ, а также распознания класса технического состояния системы. Он состоит из обнаружителя 5.1, К идентификаторов 5.2 (по количеству уровней управления системой) и распознавателя 5.3. Назначение элементов блока состоит в следующем:
5.1 - обнаружитель, предназначен для обнаружения неработоспособного состояния системы путем сравнения ее обобщенного показателя с пороговым значением, передачи функции идентификации отказа на уровни разукрупнения системы, установления пороговых значений на параметры и обобщенный показатель системы на основе анализа априорного состояния системы, формирования искусственного трафика для обеспечения обучения системы при определении классов ее технического состояния;
1
2
К
5.2; 5.2; 5.2 - идентификаторы, предназначены для идентификации отказа системы по уровням управления путем сравнения параметров узлов конкретного уровня с их пороговыми значениями;
5.3 - распознаватель, предназначен для определения ошибок контроля при распознании класса технического состояния системы в случае возникновения ее отказа и передачи данной информации на блок регистрации и управления системой.
k
При этом входная шина «априорное состояние системы» и вход «обобщенный показатель» обнаружителя 5.1 являются одноименными входной шиной и входом «обобщенный показатель» блока, прямой выход и выход «обучение» обнаружителя являются соответственно выходами «норма» и «обучение» блока, N(k)×M(n,k) входы «параметры» k-го идентификатора 5.2 являются соответствующей группой входов «параметры» блока, прямой выход и выход «состояние» обнаружителя подключены соответственно ко второму и первому входам распознавателя 5.3, кроме того, выход «состояние» обнаружителя подключен к первым разрядам трехразрядных сдвоенных К групп входов распознавателя, вход «признаки» k-го идентификатора, начиная с k=2, соединен с инверсным выходом k-1-го идентификатора, и вторыми разрядами трехразрядной сдвоенной k-й группы входов распознавателя, а вход «признаки» первого идентификатора (k=1) также соединен с инверсным выходом обнаружителя, при этом прямой выход k-го идентификатора соединен с третьим разрядом первого строенного входа k-й группы входов распознавателя, а инверсный выход k-го идентификатора - с третьим разрядом второго строенного входа k-й группы входов распознавателя, первый и последующие К выходов которого являются выходами «ошибка» блока.
Обнаружитель 5.1, показанный на фиг.3 блока принятия решения, предназначен для обнаружения неработоспособного состояния системы путем сравнения ее обобщенного показателя с пороговым значением, передачи функции идентификации отказа на уровни разукрупнения системы, установления пороговых значений на параметры и обобщенный показатель системы на основе анализа априорного состояния системы, формирования искусственного трафика для обеспечения обучения системы при определении классов ее технического состояния. Он состоит из преобразователя признака «обобщенный показатель» 5.1.3, элемента сравнения 5.1.4, формирователя пороговых значений 5.1.5, RS-триггера 5.1.6, генератора искусственного трафика 5.1.7 и элемента управления 5.1.8.
Назначение элементов обнаружителя состоит в следующем:
5.1.1 - выход 1 обнаружителя, предназначен для передачи значений установленных порогов на параметры узлов системы на идентификаторы каждого уровня разукрупнения;
5.1.2 - выход 2 обнаружителя, предназначен для управления идентификаторами блока принятия решения в режиме «обучение»;
5.1.3 - преобразователь признака «обобщенный показатель» предназначен для преобразования измеренного в блоке измерения обобщенного показателя 3 значения обобщенного показателя качества и параметров системы в электрический сигнал определенной амплитуды;
5.1.4 - элемент сравнения предназначен для сравнения электрических сигналов, поступающих на его разные входы и выработки управляющего воздействия по результатам сравнения;
5.1.5 - формирователь пороговых значений предназначен для формирования пороговых значений показателей качества телекоммуникационной системы на различных уровнях разукрупнения с учетом сведений, поступающих с шины «априорное состояние системы» о текущем состоянии системы на всех уровнях управления (при нормальном ее функционировании и при возникновении аномалий);
5.1.6 - RS-триггер;
5.1.7 - генератор искусственного трафика предназначен для моделирования различных режимов нагрузки системы, необходимых в процессе обучения и настройки устройства;
5.1.8 - элемент управления предназначен для включения режима текущего контроля, режима оценки ошибок контроля и режима обучения;
При этом входная шина «априорное состояние системы», вход «обобщенный показатель» и выход «обучение» являются одноименными шиной, входом и выходом блока принятия решения, а прямой выход - его выходом «норма». Выход обнаружителя «состояние» соединен с генератором искусственного трафика 5.1.7 и преобразователем признака «обобщенный показатель» 5.1.3, первый вход которого соединен с входом «обобщенный показатель». Данный преобразователь признака другим своим выходом соединен с первым входом элемента сравнения 5.1.4, второй вход которого подключен к первому выходу формирователя пороговых значений 5.1.5, соединенного с входной шиной «априорное состояние системы». Второй выход формирователя пороговых значений является первым выходом обнаружителя, а третий - его вторым выходом. При этом он соединен с элементом управления 5.1.8, R-входом триггера 5.1.6 и является выходом «обучение» блока принятия решения, также S-вход триггера соединен с элементом сравнения, а его прямой и инверсный выходы являются одноименными выходами обнаружителя. Элемент управления своим выходом соединен с генератором искусственного трафика.
k
k
k
k
k
Идентификаторы 5.2 блока принятия решения, показанные на фиг.4 и 5, предназначены для идентификации отказа системы по К уровням управления путем сравнения параметров узлов конкретного уровня с их пороговыми значениями. Каждый из них состоит из М преобразователей признаков «параметры» 5.2.3.m, элемента сравнения 5.2.4, сумматора 5.2.5 и RS-триггера 5.2.6.
Назначение элементов идентификатора состоит в следующем:
1
2
K-1
5.2; 5.2; 5.2 - идентификаторы нижних уровней управления от первого до (K-1)-го, показаны на фиг.4, однотипны по построению и предназначению для всех нижних уровней управления, кроме верхнего К -го;
К
5.2 - идентификатор верхнего уровня управления, показан на фиг.5, аналогичен по построению и назначению идентификаторам нижних уровней управления, кроме отсутствия выходов 1 и 2;
1
2
K-1
5.2.1; 5.2.1; …; 5.2.1 - вход 1 идентификаторов нижних уровней управления, предназначен для подачи значений установленных порогов на параметры узлов системы на элемент сравнения;
1
2
K-1
5.2.2; 5.2.2; …; 5.2.2 - вход 2 идентификаторов нижних уровней управления, предназначен для передачи сигналов управления RS-триггеру в режиме «обучение»;
1
2
K-1
5.2.1*; 5.2.1*; …; 5.2.1* - выход 1 идентификаторов нижних уровней управления, предназначен для передачи значений установленных порогов на параметры узлов системы на идентификаторы вышестоящих уровней разукрупнения;
1
2
K-1
5.2.2*; 5.2.2*; …; 5.2.2* - выход 2 идентификаторов нижних уровней управления, предназначен для передачи сигналов управления RS-триггеру идентификаторов вышестоящих уровней разукрупнения;
k
k
k
5.2.3.1; 5.2.3.2; …; 5.2.3.M - преобразователи признаков «параметры» k-го уровня управления системой предназначены для преобразования измеренных в блоке измерения 4.k значений параметров системы в электрический сигнал определенной амплитуды;
k
5.2.4 - элемент сравнения на каждом уровне управления предназначен для сравнения электрических сигналов, поступающих на его разные входы и выработки управляющего воздействия по результатам сравнения;
k
5.2.5 - сумматор на каждом уровне управления предназначен для суммирования поступающих на его входы сигналов и выдачи сигнала суммарной амплитуды на элементы сравнения;
k
5.2.6 - RS-триггер на каждом уровне управления.
K
При этом k-я группа М входов «параметры» является одноименной группой входов k-го идентификатора, причем каждый m-ый вход, m=1, 2, …, М, данной группы и выход идентификатора «признаки» соединены соответственно с первым и вторым входами m-го преобразователя признаков «параметры» 5.2.3.1-5.2.3.М, выходы которых поступают на соответствующие входы сумматора 5.2.5, выход которого в свою очередь соединен с первым входом элемента сравнения 5.2.4, второй вход которого соединен с первыми входом 5.2.1 и выходом 5.2.1* идентификатора. Выход элемента сравнения является S-входом триггера 5.2.6, R-вход которого соединен с вторыми входом 5.2.2 и выходом 5.2.2* идентификатора, а прямой и инверсный выходы триггера являются одноименными выходами идентификатора. При этом в идентификаторе 5.2 верхнего уровня управления (k=К) второй вход элемента сравнения соединен только с первым входом, а R-вход триггера - только с вторым входом идентификатора.
Распознаватель 5.3 блока принятия решения, показанный на фиг.6 предназначен для определения ошибок контроля при распознании класса технического состояния системы в случае возникновения ее отказа и передачи данной информации на блок регистрации и управления системой.
Назначение элементов распознавателя состоит в следующем:
5.3.1 - первый элемент И;
1
1
2
2
K
K
5.3.1, 5.3.1*; 5.3.1, 5.3.1*; …,5.3.1, 5.3.1* - сдвоенные группы элементов И;
1
2
К
5.3.2; 5.3.2; …; 5.3.2 - элементы ИЛИ.
1
1
К
К
1
k
При этом первый и второй входы распознавателя соединены с соответствующими входами первого элемента И 5.3.1, выход которого является его первым выходом «ошибка», первые, вторые и третьи разряды трехразрядных сдвоенных К групп входов распознавателя соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими входами К сдвоенных групп элементов И 5.3.1, 5.3.1*-5.3.1, 5.3.1*, выходы которых попарно подключены к обоим входам К элементов ИЛИ 5.3.2-5.3.2, выходы которых являются К выходами «ошибка» распознавателя.
Специфика построения устройства распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой такова, что блок 1, обозначенный в схеме фиг.1 как географически рассредоточенная многоуровневая система, может представлять собой отдельную подсистему (коммутационный узел, локальную, региональную или глобальную систему), при этом в данном случае организуются контуры управления в каждой подсистеме. Объединяющим элементом является обозначенная в схеме шина «априорное состояние системы», которая позволяет обмениваться информацией, необходимой для принятия достаточного обоснованного решения, с соседними узлами при распределенном адаптивном управлении либо с центром управления - при централизованном управлении. Это оправдывает название изобретения, которое связано с территориальной рассредоточенностью ресурсов многоуровневой системы.
При этом блок принятия решения состояния системы работает в трех режимах: текущего контроля, оценки ошибок контроля и обучения.
Пример работы блока принятия решения в режиме текущего контроля.
В режиме контроля состояния системы элемент управления 5.1.8 обнаружителя 5.1 отключает генератор искусственного трафика 5.1.7. На первом этапе проверки правильности функционирования системы в блоке измерения обобщенного показателя 3 производится измерение обобщенного показателя , и измеренное значение вводится в преобразователь признака «обобщенный показатель» 5.1.3 обнаружителя 5.1. В нем производится, преобразование в соответствии с выражением
где Λ(х) - отношение правдоподобия.
0
o
0
i
i
1
1
1
1
В элементе сравнения 5.1.4 обнаружителя происходит сравнение величины Λ(x) с пороговым значением х, сформированным в формирователе пороговых значений 5.1.5. Если Λ(x)>x т.е. нарушение режима работы не обнаружено, сигнал с выхода элемента сравнения 5.1.4 через RS-триггер 5.1.6 и его прямой выход (выход «норма» блока принятия решения) поступает в блок регистрации и управления 6, фиксируя нормальное (N) работоспособное состояние системы. В противном случае (если Λ(x)<x), фиксируется аномальное () состояние системы и производится более достоверная оценка ее состояния путем исследования набора признаков y, …, γ, поступающих с соответствующих блоков измерения 4.1, 4.2, …, 4.К контуров управления различных уровней иерархии системы через входы «параметры», где . При этом с инверсного выхода RS-триггера обнаружителя высокий потенциал поступает на вторые входы элементов И 5.3.1 и 5.3.1* первой сдвоенной группы распознавателя 5.3, а также через вход «признаки» включает преобразователи признаков «параметры» 5.2.3.1, …, 5.2.3.М идентификатора первого уровня, допуская на обработку значения измеренных в блоке 4.1 параметров системы.
k
k
k
k
Значения измеренных признаков в k-м контуре управления, где k=1, 2, …, К, с М входов «параметры» поступают в М преобразователей признаков «параметры» 5.2.3.1, 5.2.3.2, …, 5.2.3.M, в которых формируются величины  и т.д. до  в дальнейшем суммируемые в сумматорах 5.2.5 идентификаторов соответствующих уровней управления.
k
0
0
k
В элементах сравнения 5.2.4 идентификаторов полученные суммы сравниваются с порогами y…γ, вырабатываемыми в формирователе пороговых значений 5.1.5 обнаружителя и поступающими через его выход 5.1.1 на входы всех идентификаторов 5.2.1.
k
k
К
К
В случае, когда  сигнал о работоспособности системы поступает с прямого выхода RS-триггера идентификатора на третий вход первого элемента И 5.3.1 k-й сдвоенной группы распознавателя 5.3. Если  - то сигнал с инверсного выхода RS-триггера k-го идентификатора подается на третий вход второго элемента И 5.3.1k* k-й сдвоенной группы распознавателя, вторые входы первого и второго элементов И (k+1)-й сдвоенной группы распознавателя и на вход «признаки» (k+1)-го идентификатора, с которого поступает на вторые входы его преобразователей признаков «параметры». Так как с инверсного выхода RS-триггера (k-1)-го идентификатора (а для первого уровня управления - с инверсного выхода RS-триггера обнаружителя) на вторые входы элементов и k-й сдвоенной группы распознавателя поступает высокий потенциал, то сигнал, фиксирующий экстремальную ситуацию, со второго элемента И k-й сдвоенной группы поступает через элемент ИЛИ 5.3.2 k-й группы распознавателя 5.2 в блок регистрации и управления 6. Аналогично происходит выявление нарушения работоспособности системы и на последующих контурах контроля и управления системой. При этом инверсный выход идентификатора верхнего уровня управления 5.2 (k=К) соединен только с третьим входом второго элемента И 5.3.1* К-й сдвоенной группы распознавателя.
Пример работы блока принятия решения в режиме оценки ошибок контроля.
1
2
1
0
0
При оценке ошибок контроля элемент управления 5.1.8 обнаружителя включает генератор искусственного трафика 5.1.7, который моделирует нормальное N и аномальное  состояние многоуровневой системы в соответствии с априорными вероятностями P=P(N) и Р=1-Р=P(). В зависимости от величины порога х, устанавливаемого в формирователе пороговых значений 5.1.5 обнаружителя и реализацией случайной величины Λ(x), принимаются решения о состоянии системы. Если значение Λ(x)>x, с выхода элемента сравнения 5.1.4 через RS-триггер обнаружителя сигнал поступает на второй вход первого элемента И 5.3.1 распознавателя. Если исходным является аномальное состояние системы , то с первого выхода генератора искусственного трафика 5.1.7 обнаружителя сигнал подается на первые входы всех элементов И распознавателя. При этом, в связи с тем, что на оба входа первого элемента И распознавателя подаются высокие потенциалы, то на его выходе и на первом выходе распознавателя появляется сигнал, соответствующий «необнаруженному» нарушению состояния системы -  (отказ не обнаружен) и, обусловленный статистическими свойствами трафика и ошибками обнаружителя, передается в блок регистрации и управления 6.
k
k
k
k
k
k
В случае фиксации обнаружителем нарушения режима работы системы - О (отказ обнаружен) сигнал передается на третий вход второго элемента И 5.3.1k* k-й сдвоенной группы распознавателя 5.3 (через преобразователи признаков «параметры» 5.2.3.1, …, 5.2.3.M k-го идентификатора, сумматор 5.2.5, элемент сравнения 5.2.4, RS-триггер 5.2.4 и его инверсный выход), на выходе которого появляется импульс, соответствующий событиям, когда обнаружитель фиксирует нарушение - О при нормальном функционировании системы - N, но из-за ошибок контроля распознаватель отнес его к состоянию блокировки. Поскольку в данной ситуации на все входы второго элемента И 5.3.1* k-й сдвоенной группы распознавателя поступают высокие потенциалы, то на его выходе появляется импульс, соответствующий событиям, когда обнаружитель правильно зафиксировал нарушение - , а распознаватель классифицировал нормальное состояние системы N.
k
k
л
1
0
р
Аналогично происходит фиксация «необнаруженного отказа» и «ложного отказа» и на последующих по иерархии уровнях контроля и управления системой. Импульсы с выходов всех элементов И каждой k-й сдвоенной группы 5.3.1, 5.3.1* всегда передаются в блок регистрации и управления 6, в котором при достаточно большом числе испытаний формируются вероятности «ложного» состояния Р=Р αα и суммарного, обусловленного обнаружителем и распознавателем «необнаруживаемого» экстремального состояния системы: .
Пример работы блока принятия решения в режиме обучения.
л
н
∑
л
н
0
0
0
0
0
0
k
В режиме обучения в связи с многоэтапным принципом работы, предусматривающим включение распознавателя по сигналу с обнаружителя, происходит уменьшение Р за счет увеличения Р. При оптимизации суммарной величины Р=λР+Р, где 0≤λ≤1, неопределенный множитель Лагранжа, уменьшение второго слагаемого может быть достигнуто за счет оптимального выбора порогов . При этом уменьшение значений х, у, …, γ производится за m испытаний путем уточнения (m-1) испытания х(m-1), у(m-1), …, у(m-1) за счет известными методами, например методом стохастической аппроксимации, осуществляемым формирователем пороговых значений 5.1.5. Знак приращения  определяется наличием сигнала на выходах первого элемента И 5.3.1 либо на выходах элементов ИЛИ 5.3.2 распознавателя.
В приложении А приведен пример расчета оптимального значения порогов классификации, обеспечивающих минимальную ошибку принятия решения (идентификации) состояния системы.
Пример сокращения объема информации за счет поэтапного принципа распределенного контроля многоуровневой системы.
Поскольку решение о нормальном функционировании системы на первом этапе может быть принято на основе локальной информации о состоянии данного узла (например, объем буферной памяти, состояние исходящих каналов связи и др.), то нет необходимости обмена информацией с другими узлами сети.
1
1
1
1
2
1
1
2
n
На втором и последнем этапах наряду с (А.10) анализу подвергается та часть информации, которая обусловливает появление вероятностей ложной тревоги:Рα, Pα,α, …, Pαα, …, α и которая должна подвергаться дальнейшему анализу.
лТ
1
1
2
2
3
2
3
n
с
Значение Р=Рα(1+α+αα+…+αα…α) вероятности «ложной тревоги» определяет ту часть общего потока информации, принятой за 1, которая подлежит анализу на втором и последующих этапах. Она определяет степень сокращения η объема информации, которая должна передаваться между узлами сети для уточнения типа нарушения:
Таким образом, степень сокращения объема циркулирующей в системе управляющей информации зависит от величины ошибок первого рода, возникающих на каждом из этапов.
i
Поэтапная процедура контроля обеспечивает наивысшую точность выявления аномальных ситуаций в системе, поскольку использует на каждом из этапов независимые признаки распознавания и, следовательно, оказывается не хуже байесовой. При поэтапном контроле применение решения о состоянии системы осуществляется с привлечением дополнительных признаков по мере необходимости. Число включений этапов уменьшается по мере роста номера этапа в x раз. Контроль заканчивается в том случае, если принято решение о нормальном функционировании системы. Последние этапы используются достаточно редко, при этом суммарное количество измерительной информации в пределе достигает максимальной величины, практически используя всю доступную измерению информацию, поставляемую системой сетеметрии, для принятия окончательного решения о состоянии контролируемой системы.
Анализ результатов моделирования (фиг.9) показывает, что выигрыш в отношении сокращения объема управляющей информации зависит от информативности признаков распознавания на втором и последующих этапах, поскольку информативность признака на первом этапе оказывается фиксированной, и определяется объемом свободного буферного пространства, величина которого может строго контролироваться по локальной информации каждого конкретного узла. Однако увеличение информативности признаков на последующих этапах связано с измерениями в системе, объем которых определяет качество принятия решения при поэтапном контроле. Эти измерения для повышения информативности связаны с необходимостью привлечения дополнительных измерительных ресурсов и естественным увеличением времени анализа.
0
0
0
Построение многоуровневой системы на основе многоэтапной процедуры принятия решения по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями позволяет обосновать выбор пороговых значений х, y, … γ, решая данную проблему оптимальным образом в смысле минимума ошибок классификации аномальных состояний системы. При этом классы состояния системы, обозначенные на фиг.8 означают:
«1» - система заблокирована, отказ обнаружен и распознан;
«2» - система работоспособна, ложное обнаружение и распознание;
«3» - система заблокирована, отказ обнаружен, но не распознан;
«4» - система работоспособна, ложное обнаружение не распознано;
«5» - система заблокирована, отказ не обнаружен;
«6» - система работоспособна, признана работоспособной.
* - на каждом из этапов контроля
0
0
В технических системах предпочтительнее иметь ошибку первого рода α (ложный отказ), чем ошибку второго рода β (необнаруженный отказ). В связи с чем предпочтительными на фиг.8 будут состояния системы «6*» и «1». Ошибки контроля предлагаемого способа могут быть снижены за счет обучения системы управления путем анализа текущей информации, накапливаемой в процессе функционирования системы, методами статистической теории распознавания образов.
Приложение А
Пример расчета оптимального значения порогов классификации, обеспечивающих минимальную ошибку принятия решения (идентификации) состояния многоуровневой системы
При эксплуатации сложных многоуровневых систем, работоспособность которых характеризуется большим числом параметров, контроль их технического состояния целесообразно осуществлять в несколько этапов. На первом этапе по какому-либо обобщенному показателю проводят проверку системы на работоспособность и, в случае обнаружения аномальной ситуации, на последующих этапах в результате более тщательного контроля с использованием информации локального, регионального или глобального контура управления судят о ее действительном состоянии. Такая процедура контроля приводит к значительному сокращению времени проверок и объемов циркулирующей в системе измерительной информации.
0
р
0
p
Однако в том случае, когда обнаружитель, идентификаторы и распознаватель на первом и последующих этапах допускают ошибки первого (α, α) и второго (β>β) рода, становится актуальным вопрос выбора порогов при классификации состояния системы на наличие экстремальной ситуации и ее отсутствие.
Теория статистических решений позволяет указать метод, основанный на результатах анализа, который дает с минимальной вероятностью ошибки
1
2
n
1
2
1
ответ на вопрос, к какому из двух множеств N или  относится данное конкретное состояние системы и соответствующий ему вектор, S=S(x, х, … x). В процессе применения классифицирующего решения имеют место ошибки первого и второго родов. Ошибка первого рода α возникает тогда, когда гипотеза U(S=) отклоняется, хотя она справедлива, и ошибка второго рода β - принимается гипотеза U(S-N), когда оказывается справедливой гипотеза U(S-).
Необходимо найти правило, которое минимизировало бы средний риск W, или среднюю стоимость принятия решения (правило Байеса) о наличии ошибок первого и второго рода:
a
b
W=δ·α+δβ,
a
b
где δ - вес ошибки первого рода; δ - вес ошибки второго рода. Решающее правило можно сформулировать так:
1
n
1
…
n
где  - априорная вероятность появления аномальной ситуации в системе; Р(х, …, x/N) - условная плотность вероятности нормального функционирования системы; Р(х,, x/) - условная плотность вероятности возникновения аномалий.
α
b
Таким образом, решающее правило, минимизирующее средний риск, сравнивает отношение вероятностей с некоторым порогом θ, который является постоянной величиной для определенных значений весов δ и δ.
Такое решающее правило называется критерием Байеса, а отношение  называется отношением правдоподобия. Условные плотности вероятности P(x/N) и P(x/) формируются в процессе обучения системы, при этом следует допустить, что они оказываются близкими к истинным.
Критерий Байеса обеспечивает наивысшую точность решения двуальтернативных задач распознавания (идентификации).
Существенным ограничением методов теории статистических решений является сложность их практической реализации, особенно в распределенных системах, в которых измерительная информация распространяется в системе, используя для реализации функций координации и управления дорогостоящие сетевые ресурсы.
В процессе построения многомерной разделяющей границы приходится использовать всю доступную измерению информацию как при централизованном, так и при децентрализованном управлении. В первом случае вся измерительная информация, на основе которой принимается решение о работе всех узлов системы, собирается в главном центре управления и в виде директив рассылается на периферию. Во втором случае каждый узел должен располагать достаточной информацией для принятия обоснованного решения о состоянии не только данного узла, но, в общем случае, и о состоянии всех узлов системы во избежание глобальных перегрузок.
При эксплуатации распределенных многоуровневых систем, состояние которых характеризуется большим числом параметров, контроль их работоспособности целесообразно осуществлять с применением поэтапного принципа классификации. На первом этапе по какому-либо обобщенному показателю проводят проверку состояния телекоммуникационной системы и, в случае обнаружения аномальной ситуации, на втором и последующих этапах проводят более тщательный контроль, по которому определяют ее истинное состояние.
oi
oi
oi
Поскольку на каждом из этапов система контроля совершает ошибки первого α(x)и второго β(x) рода, становится актуальным вопрос о выборе порогов х на каждом из этапов (фиг.7).
Ошибка первого рода
соответствует случаю принятия решения о возникновении аномальной ситуации на сети, в то время как система функционирует нормально, и называется ошибкой ложной тревоги.
Ошибка второго рода
означает принятие решения об отсутствии аномальной ситуации, когда налицо нарушение режима работы системы, получившее название пропуска нарушения.
Непосредственно из вероятностного графа состояния многоуровневой системы (фиг.8) получаем суммарные ошибки пропуска нарушения для всей системы
и ошибки ложной тревоги для системы
1
2
где Р=1-Р - априорная вероятность появления аномальной ситуации и Р2 -априорная вероятность ее отсутствия.
В соответствии с критерием Неймана-Пирсона зафиксируем вероятность ложной тревоги на заданном уровне С
и минимизируем вероятность пропуска
oi
Задача о минимизации пропуска функции (А.4), в которой переменные x связаны функциональной зависимостью (А.3), является задачей условной оптимизации. Составляем функционал оптимизации:
где λ - неопределенный множитель Лагранжа.
Вычисляем частные производные  получаем систему из n
Уравнений
oi
которые совместно с уравнением (А.3) позволяют найти неопределенный множитель λ и n переменных x.
Уравнения (А.8) и (А.5) с учетом (А1) и (А.2) после дифференцирования по верхнему и нижнему пределам, принимают вид:
В уравнениях (А.9) искомыми являются оптимальные пороги
классификации на каждом из этапов , дающие минимум функции (А.6), т.е. минимум вероятности пропуска в системе, связанной с наименьшей вероятностью ошибки возникновения аномальной ситуации. Полученное решение позволяет однозначно определить вероятность применения правильного решения об отсутствии нарушения режима работы системы:
На каждом из последующих этапов анализу подвергается информация о принятии правильного решения , то есть о нормальном функционировании системы.