ФОРМАЛИЗАЦИЯ  ЗАДАЧИ  ОПЕРАТИВНОГО  УПРАВЛЕНИЯ  СОСТОЯНИЕМ  ТЕРРИТОРИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ  ИНФОРМАЦИОННОЙ  СЕТИ  АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ  СИСТЕМЫ

Граков  Вячеслав  Иванович

канд.  техн.  наук,  доцент,  Северо-Кавказский  федеральный  университет,  РФ,  г.  Ставрополь

E-mail: 

Меденец  Виктор  Владимирович

студент  5  курса,  Северо-Кавказский  федеральный  университет,  РФ,  г.  Ставрополь

E-mail: 

Хабарова  Диана  Сергеевна

аспирант,  Северо-Кавказский  федеральный  университет,  РФ,  г.  Ставрополь

E-mail: 

PROBLEM  FORMALIZATION  OF  OPERATIONAL  STATUS  CONTROL  OF  GEOGRAPHICALLY  DISTRIBUTED  INFORMATION  NETWORK  OF  AUTOMATED  SYSTEM

Vjacheslav  Grakov

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor,  North  Caucasian  Federal  University,  Russia  Stavropol

Viktor  Medenets

student  5th  year,  North  Caucasian  Federal  University,  Russia  Stavropol

Diana  Khabarova

post  Graduate  Student,  North  Caucasian  Federal  University,  Russia  Stavropol

АННОТАЦИЯ

Цикл  управления  состоянием  информационной  сети  декомпозируется  на  контуры  иерархического  управления,  отличающиеся  длительностью  цикла  управления.  В  основе  рассматривается  цикл  контура  оперативного  управления.  Обоснованы  операторная  модель  и  структурная  схема  системы  управления  состоянием  сети  и  необходимость  построения  алгоритмов  функционирования  решающих  компонентов  системы  управления  на  основе  методов  многокритериальной  оптимизации.

ABSTRACT

The  status  control  cycle  of  information  network  is  decomposed  into  the  hierarchical  control  contours,  characterized  by  length  of  control  cycle.  Operational  control  cycle  is  considered  the  basis.  Operator  model  and  a  block  diagram  of  a  network  status  control  system  are  substantiated  as  well  as  the  necessity  of  building  functioning  algorithms  of  critical  control  system  components  based  on  the  methods  of  multicriteria  optimization.

Ключевые  слова:  эффективность  функционирования;  состояние  системы;  система  управления;  цикл  и  контур  управления;  подсистемы  управления;  оперативное  управление;  оценка  состояния;  информационная  сеть;  многокритериальная  оптимизация.

Keywords:  the  functioning  efficiency;  system  status;  control  system;  cycle  and  control  circuit;  control  subsystem;  operational  control;  status  assessment;  informational  network;  multicriteria  optimization.

Повышение  эффективности  в  общем  случае  любых  сложных  систем  связывают  с  рядом  направлений  совершенствования  их  систем  управления.  Одним  из  них  является  автоматизация  процессов  цикла  управления,  позволяющая  повысить  оперативность  за  счет  сокращения  длительности  цикла  управления,  снизить  трудозатраты  и  повысит  интеллектуальные  возможности  лица,  принимающего  решения  (ЛПР),  а  также  степени  научной  обоснованности  принимаемых  решений  за  счет  учета  большого  числа  параметров  управляемой  системы  (процесса)  и  обработки  их  методами  математического  программирования  и  вариационного  исчисления  [1].

Решение  проблемы  повышения  эффективности  управления  состоянием  территориально-распределенной  информационной  сети  (ИС)  автоматизированной  системы  (АС)  также  основывается  на  автоматизации  функций  управления  состоянием  ИС,  реализации  сложных  математических  методов  оптимизации,  внедрения  информационных  и  вычислительных  технологий  на  базе  высокопроизводительных  микропроцессорных  систем  и  возрастающей  угрозе  информационных  конфликтов  [3,  4].

Концептуальная  модель  оперативного  управления  состоянием  ИС  учитывает  следующие  утверждения  [2,  3].  Эффективность  ИС  определяется  степенью  соответствия  требованиям,  предъявляемым  автоматизированной  системой  к  её  целевым  свойствам,  характеристикам  и,  в  конечном  итоге,  параметрам  и  показателям,  определяющим  требуемое  или  допустимое  ее  состояние.  При  этом  под  состоянием  ИС  понимается  совокупность  значений  характеристик  сети  и  ее  компонентов  в  оцениваемый  промежуток  времени  и  определяющая  качественную  (категорированную)  или  количественную  оценку  её  эффективность.

Основными  функциональными  компонентами  цикла  управления  состоянием  ИС  АС  являются  контроль,  учет,  анализ,  регулирование,  оперативное  управление,  планирование  и  прогнозирование  [1].  При  этом  цикл  управления  рассматривается  композицией  контуров  стратегического  управления  (прогнозирование  и  планирование),  оперативного  управления  и  регулирования,  в  интересах  которых  исходные  данные  обеспечиваются  процедурами  формальной  и  содержательной  обработки  измеренных,  собранных  и  накопленных  значений  параметров  компонентами  контроля,  учета  и  первичного  анализа  собранных  данных  в  каждом  контуре.  Далее  в  основу  формализации  цикла  управления  состояниями  ИС  положены  компоненты  среднего  контура  —  контура  оперативного  управления  состоянием  сети,  определяющего  текущую  эффективность  ИС  и  учитывающим  взаимодействие  с  контуром  стратегического  (целевого)  централизованного  управления  эффективностью  ИС  и  контурами  локального  децентрализованного  управления  —  регулирования  [1,  4]. 

В  дальнейшем  анализ  выделенных  контуров  будет  декомпозирован  до  контуров  управления  интегральными  характеристиками  ИС:  своевременностью  и  достоверностью  обмена  данными  и  информационной  безопасностью  ИС,  определяющими  ее  целевое  предназначение  [2].

На  сеть  влияют  возмущающие  факторы,  представляемые  динамическим  вектором  ,  под  действием  которых  состояние  сети  изменяется.  Эти  факторы  представимы  внешними    и  внутренними    воздействиями  среды,  системы  управления  ИС,  флюктуацией  состояний  её  элементов  и  обслуживаемого  трафика,  а  потому  могут  иметь  случайный    и  детерминированный    характер.  В  общем  случае  влияние  факторов  зададим  в  виде  следующей  композиции: 

Информация  о  текущих  состояниях  среды  и  сети  влияет  на  вероятность  перехода  в  будущие  состояния,  а  система  управления  обеспечивает  однозначность  выработанных  управляющих  воздействий  и  предсказуемость  реакции  сети  на  эти  воздействия. 

Формализуем  цикл  оперативного  управления  состоянием  ИС.  Обобщенную  структуру  цикла  контура  оперативного  управления  состояниями  информационной  сети  представим  в  виде  операторной  модели  (рисунок  1).

Рисунок  1.  Операторная  модель  цикла  контура  оперативного  управления  сетью

Состояние  сети  в  любой  момент  времени    зададим  -мерным  вектором,  элементы  которого  отображают  структуру  сети,  а  также  протекающие  в  ней  процессы  и  могут  быть  векторами  и  матрицами.  Для  измерения  и  оценки  вектора    доступен  некоторый  вектор  наблюдения    значений  параметров  сети,  который  в  общем  случае  отличается  от  вектора    размерностью,  т.  е.  .  Только  в  частном,  наиболее  благоприятном  случае,  размерности  совпадают.  Множество  факторов  не  всегда  возможно  измерить  и  учесть,  а  иногда  в  этом  нет  необходимости.  Размерность  вектора    будет  зависеть  от  допустимых  затрат  и  функциональных  возможностей  подсистемы  контроля  СУ,  представляющей  совокупность  распределенных  датчиков  -  локальных  агентов  управления  сети  .

Оценка  текущего  состояния  сети  может  быть  получена  различными  статистическими  методами,  примененными  к  составляющим  вектора  контролируемых  данных  .

Динамика  цикла  управления  представляется  следующим  образом.  Система  управления  состоянием  сети  по  наблюдаемому  вектору    получает  оценку  вектора  текущего  состояния  сети  .  Каждому  значению  вектора  соответствует  определенное  значение  вектора  управляющих  воздействий  .  Управляющие  воздействия  на  структуру,  алгоритмы  и  параметры  сети  осуществляются  регулятором  -агентов  управления  сети.

Оператор  сбора  и  анализа  контролируемых  данных  состояния    в  определенном  режиме  собирает  от  датчиков  данные  состояния  элементов  (компонентов)  сети  (значений  параметров,  статистики  и  т.  п.).  Режимы  сбора  могут  быть  следующие:  сбор  данных  по  времени  (периодический);  сбор  по  факту  или  событию;  сбор  по  запросу  подсистем  анализа  и  принятия  решения,  диагностики  или  тестирования.  Для  обеспечения  требуемой  достоверности  оценок  оператор    вырабатывает  вектор  зондов  (запросов)  принудительного  сбора  контрольной  информации  для  диагностирования  и  тестирования.

Функциональный  оператор  ,  ставящий  в  соответствие  каждому  значению  вектора    определенное  значение  вектора  ,  представляет  собой  оператор  принятия  решения  на  управление  в  виде  совокупности  операторов  планирования    и  оперативного  управления  и  регулирования  .

Оператор  планирования    каждому  значению  вектора    ставит  в  соответствие  определенное  значение  вектора  ,  который  отражает  планируемое  состояние  сети.  ,  может  не  совпадать  с  требуемым  состоянием  сети  на  промежуточных  циклах  контура  оперативного  управления. 

Оператор  оперативного  управления  и  регулирования    сравнивает  планируемое  состояние    с  текущим  состоянием    и  вырабатывает  вектор  управляющих  воздействий  .

При  этом  оператор  принятия  решения  на  управления    включает  следующие  частные  операторы:  принятия  решений  на  управление  структурой  (установлением  соединений  ,  управления  алгоритмами  (режимами)    и  управления  параметрами  ,  т.е.  .

Разработанная  операторная  модель  контура  оперативного  управления  состоянием  ИС  обосновывает  структуру  системы  оперативного  управления  состоянием  ИС  в  виде  совокупности  взаимоувязанных  функциональных  подсистем,  показанных  на  рисунке  2.  Зададим  функциональную  определенность  каждой  подсистеме  системы  управления  (СУ)  [2].

Рисунок  2.  Обобщенная  схема  функциональных  подсистем  СУ  ИС

Подсистема  ввода-вывода  информации  обеспечивает  интерфейс  ЛПР  при  управлении  состоянием  сети  и  взаимосвязи  с  другими  уровнями  и  звеньями  управления  и  ИС.

Подсистема  сопряжения  обеспечивает  взаимодействие  звеньев  управления  и  связь  с  другими  сетями  и  системами.

Подсистема  сбора  информации  распределена  по  компонентам  и  элементам  сети,  обеспечивает  измерение,  сбор,  статистическую  обработку,  и  систематизацию  данных  о  значениях  параметров.

Подсистема  обработки  информации  выполняет  вторичную  содержательную  обработку  информации,  поступающей  из  подсистемы  сбора  информации  и  других  подсистем,  сортирует  и  хранит  в  памяти  обработанную  информацию,  а  также  выдает  ее  по  запросам  других  подсистем  или  сигналам  подсистемы  центрального  управления.

Подсистема  управления  параметрами  предназначена  для  обоснования  и  выбора  значений  характеристик  производительности  и  пропускных  способностей  структурных  компонентов  ИС  при  накладываемых  требованиях  достоверности  безопасности  информационного  обмена.  Подсистема  управления  режимами  работы  сети  и  её  компонентов  (алгоритмами  функционирования  сети)  оптимизирует  управление  распределением  стохастических  потоков  информации  по  наиболее  целесообразному  плану  распределения  потоков  с  учетом  оптимальности  физической  структуры  и  требований  по  достоверности  и  безопасности  обмена.

Подсистема  управления  структурой  предназначена  для  образования  физических  путей  передачи  информации  и  управления  оптимизацией  пропускной  способности  сети  в  соответствие  со  структурой  входящего  трафика.

Взаимный  обмен  информацией  управления  между  всеми  подсистемами  обеспечивает  подсистема  обмена.

Подсистема  управляющих  воздействий  обеспечивает  интерпретацию  управляющих  команд  от  подсистем  контроля,  обработки,  управления  структурой  алгоритмов  и  параметрами,  определяет  корректность,  приоритетность  и  последовательность  ввода  на  передачу  управляющих  воздействий  в  адрес  агентов  управления. 

Подсистема  центрального  управления  обеспечивает  согласованное  функционирование  всех  подсистем,  поддерживает  взаимодействие  с  ЛПР  и  контролирует  работу  системы  управления.

К  особенностям  взаимосвязи  подсистем  необходимо  отнести  следующие  условия.  Подсистема  сбора  информации  после  первичной  и  преимущественно  стохастической  обработки  передает  подсистеме  обработки  информации  значения,  отражающие  оценку  контролируемых  параметров  элементов  сети  и  процессов  в  элементах  и  между  смежными  элементами.

Наиболее  важной  функциональной  подсистемой  является  подсистема  обработки  информации,  в  которой  полученные  данные  обрабатываются  с  целью  получения  оценки  состояния  сети  и  качества  обслуживания  абонентов  в  ней,  например,  в  виде  матриц  состояния,  элементы  которых  характеризуют  узел,  канал,  качество  обслуживание  по  выбранным  параметрам  управления.  Более  того,  в  этой  подсистеме  предусматривается  система  критериев  (логических  триггеров),  во-первых,  оценивающая  текущее,  требуемое,  прогнозное  состояния,  состояние  ресурсов,  и,  во-вторых  инициирующая  работу  соответствующих  подсистем  СУ  ИС.

При  такой  комплексности  частных  задач  определяющим  является  выбор  критерия  эффективности  ещё  на  этапе  планирования  сети.  Тогда  обобщенный  показатель  эффективности  представляет  собой  совокупность  частных  показателей,  отражающих  существенные  для  оперативного  управления  свойства  сети. 

К  сфере  поиска  наилучшего  и  обязательно  компромиссного  решения,  удовлетворяющего  нескольким  не  сводимым  друг  к  другу  критериям,  относится  многокритериальная  оптимизация  [3].  Необходимо  заметить,  что  и  методология  решения  сложных  проблем,  предлагаемая  общей  теорией  систем,  трактует  требования  к  подбору  противоречивых  характеристик  при  системном  анализе  и  оптимизации  сложных  систем  [1].  Таковыми  частными  критериями  в  данном  случае  являются  рассматриваемые  своевременность,  достоверность  и  безопасность  информационного  обмена  в  ИС.  При  постановке  многокритериальной  задачи  в  качестве  критерия  часто  рассматривается  обобщенная  функция,  полученная  скаляризацией  вектора  частных  показателей,  что  допустимой  степени  субъективности.  Многокритериальность  усложняет  процесс  принятия  решений  и  требует  применения  специальных  методов,  которые  на  данный  момент  не  так  хорошо  разработаны,  как  методы  однокритериальной  (скалярной)  оптимизации.  Более  того,  результат  многокритериальной  оптимизации  позволяет  анализировать  системообразующую  структуру  оценки  состояния  и  тем  самым  детализировать  до  оценок  параметров,  вызвавших  снижение  оценки  частного  показателя,  что  создает  предпосылки  для  развития  подсистем  диагностики,  повышения  точности  принятия  решения  об  оперативном  управлении  и  регулировании,  что,  несомненно,  способствует  повышению  эффективности  управления  в  целом.

Таким  образом,  учитывая  фундаментальный  принцип  кибернетики  —  принцип  необходимого  разнообразия  Эшби  —  эффективность  управления  состоянием  ИС,  зависит  от  качества  принимаемых  решений  о  состоянии  сети  и  принимаемых  решений  об  управлении  компонентами  и  элементами  ИС.  Обоснованные  операторная  модель  и  функциональная  схема  СУ  ИС,  реализующая  методы  многокритериальной  оптимизации  на  этапах  оценивания  состояния  сети  и  выработки  решений  об  управлении  состоянием  сети  определяет  систему  обозначенных  научных  задач,  решение  которых  повысит  интеллектуальные  возможности  ЛПР  по  управлению  состоянием  сети  и  эффективность  функционирования  ИС  в  целом. 

Список  литературы:

1.Анфилатов  В.С.B  и  др.  Системный  анализ  в  управлении:  Учебное  пособие  /  В.С.  Анфилатов,  А.А.  Емельянов,  А.А.  Кукушкин:  под  ред.  А.А.  Емельянова.  М.:  Финансы  и  статистика,  2002.  —  386  с:  ил.

2.Граков  В.И.  Задача  синтеза  систем  в  конфликтных  условиях  как  минимаксная  задача  /  Компьютерные  науки  и  технологии.  Ч.  1:  сборник  трудов  Первой  Международной  НТК.  Белгород:  ГиК,  2009.  —  С.  23—28.

3.Граков  В.И.  Меденец  В.В.  Динамическая  модель  системы  связи  защищенной  автоматизированной  системы  с  управляемыми  структурами/  Граков  В.И.  Меденец  В.В.,  Песков  М.В.  //  Материалы  II  Международной  НПК  «Актуальные  проблемы  современной  науки»,  Т.  3.  Ставрополь:  ИИЦ  «Фабула»,  2013.  —  C.  58—63.

4.Доктрина  информационной  безопасности.

5.Черноруцкий  И.Г.  Методы  принятия  решений.  СПб.:  БХВ-Петербург,  2005  —  C.  39—142.