СПОСОБ АДАПТИВНОГО ПОВЫШЕНИЯ АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а именно к области моделирования систем связи и анализа различных динамических процессов, происходящих в данных системах.

Под системой связи (СС) будем понимать организационно-техническое объединение средств связи, развернутых в соответствии с решаемыми задачами и принятой системой управления для обмена всеми видами сообщений (информации) между пунктами (узлами связи), органами и объектами управления (А.Г. Ермишян. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях, соединениях. Часть 1. Методологические основы организационно-технических систем военной связи. ВАС, СПб. 2005 г., 741 с., стр.71).

Моделирование - замещение одного исходного объекта другим объектом, называемым моделью, и проведение экспериментов с моделью с целью получения информации о системе путем исследования свойств модели (Т.И. Алиев. Основы моделирования дискретных систем. СПб, СПбГУ ИТМО, 2009 г., 363 с., стр.8).

Известен способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации [Способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации и система для его реализации. Патент РФ №2336566, кл. G06N 1/00, 2008]. В способе определяют схемотехнические характеристики элементов сложной технологической структуры (СТС), устанавливают их взаимосвязи, разделяют все связи между всеми элементами принципиальной схемы СТС на основные и резервные, задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС, определяют значения показателя аварийности состояния связей между элементами СТС, в случае неравенства этого показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными, определяют значения показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС, производят описание структуры сети связи, моделируют процесс обеспечения технической готовности при эксплуатации сети связи, имитируют различные виды отказов, повреждений и сбоев основных элементов сетей связи, обеспечение технической готовности сетей связи моделируют на нескольких уровнях, причем на первом уровне (оперативном) обеспечение технической готовности моделируют за счет введения резервных линий (каналов) связи, на втором уровне (оперативно-техническом) обеспечение технической готовности моделируют за счет введения резервных средств связи, на третьем (техническом) уровне обеспечение технической готовности моделируют за счет проведения восстановления отказавших (поврежденных) средств связи, осуществляют сбор статистики и прогнозирование технического состояния основных элементов сетей связи, осуществляют расчет основных показателей функционирования сетей связи.

Недостатком способа является то, что моделируется только применение объектов по назначению, восстановление (реконфигурация) сетей связи осуществляется только после воздействий, учитываются не все показатели, определяемые требованиями к связи (А.Г. Ермишян. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях, соединениях. Часть 1. Методологические основы организационно-технических систем военной связи. ВАС, СПб. 2005 г., 741 с., стр.335-339), не производится оценка степени адекватности модели.

Наиболее близким (принятым за прототип) по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ контроля демаскирующих признаков системы связи (Способ контроля демаскирующих признаков системы связи. Патент RU №2419153 С2, кл. G06N 5/00, опубл. 20.05.2011 г., бюл. №14).

Данный способ заключается в следующем: описывают структуру сети связи, формируют модель системы связи с демаскирующими признаками ее элементов до начала функционирования, с использованием модели системы связи имитируют возникновение демаскирующих признаков элементов системы связи, процессы их обнаружения и распознавания, моделируют появление демаскирующих признаков элементов системы связи, таких как узлов связи, линий и каналов связи, образованных средствами волоконно-оптической, проводной, радиорелейной, тропосферной, спутниковой связи, на основе имитации возникновения различных видов эксплуатационных отказов (сбоев), аварийных повреждений, отказов (сбоев) программного обеспечения элементов системы связи, по результатам моделирования системы связи определяют набор наиболее информативных демаскирующих признаков элементов системы связи, подлежащих контролю, рассчитывают значение показателя разведзащищенности моделируемой системы связи, сравнивают с требуемым значением, в случае несоответствия показателя разведзащищенности требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему связи и заново имитируют процесс ее функционирования, в случае выполнения требований по показателю разведзащищенности рассчитывают значения показателей достоверности и полноты контроля моделируемой системы связи и сравнивают их с требуемыми значениями, в случае несоответствия показателей достоверности и полноты контроля требуемым значениям изменяют параметры контроля, в случае выполнения требований развертывают реальную систему связи, на которой измеряют значения параметров демаскирующих признаков, на основе которых рассчитывают и сравнивают показатель разведзащищенности реально функционирующей системы связи с требуемым значением, в случае невыполнения требования реконфигурируют функционирующую систему связи, в случае выполнения требований рассчитывают значения показателей достоверности и полноты контроля функционирующей системы связи и сравнивают их с требуемыми значениями, в случае несоответствия показателей достоверности и полноты контроля требуемым значениям изменяют параметры контроля функционирующей системы связи.

Недостатком данного способа является то, что при моделировании не осуществляется имитация служебной и оперативной нагрузки, т.е. отсутствует возможность оценить качество связи, при несоответствии значений рассчитанных показателей функционирующей сети требуемым, не производится корректировка модели, учитываются не все показатели, определяемые требованиями к связи, не производится оценка адекватности модели.

Адекватность (от лат. adaequatus - приравненный, равный) - соответствие модели оригиналу, характеризуемое степенью близости свойств модели свойствам исследуемой системы (Т.И. Алиев. Основы моделирования дискретных систем. СПб, СПбГУ ИТМО, 2009 г., 363 с., стр.16).

Необходимо отметить, что одной из основных особенностей современных систем связи является их чрезвычайно высокая сложность, заключающаяся в сложности их построения, функционирования, управления данными системами. Вследствие этого проектирование, внедрение, эксплуатация систем связи невозможны без использования различных видов моделирования. (Советов Б.Я., Яковлев С.А. «Моделирование систем». - М.: Высшая школа, 2009, - 343 с.; Шелухин О.И., Тенякшев A.M., Осин А.В. «Моделирование информационных систем». Учебное пособие. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.: ил.).

Однако при моделировании в ходе проведения экспериментов в основном используются случайные числа, случайные переменные, цепочки случайных событий, сложным образом взаимодействующие друг с другом. При этом процессам, происходящим в модели и реальной системе, свойственны расхождения. Кроме того, могут возникнуть ошибки при построении, программировании, в использовании данных при применении модели. (Р. Шеннон. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. - М.: Издательство «Мир», 1978. - 418 с., стр.234-235).

Соответственно, необходимо обеспечивать требуемую степень адекватности построенных моделей.

Методы оценки адекватности модели описаны в (А.В. Духанов, О.Н. Медведева. Имитационное моделирование сложных систем. Владимир: ВГУ, 2010. - 115 с., стр.67-84; Р. Шеннон. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. - М.: Издательство «Мир», 1978. - 418 с., стр.234-263; В. Кельтон, А. Лоу. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд-е. - СПб: Питер, Киев: Издательская группа BHV, 2004. - 847 с.; Ю.С. Харин, Малюгин В.И., Кирлица В.П. Основы имитационного и статистического моделирования. - Мн.: Дизайн ПРО, 1997. - 288 с.; Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1968. - 356 с.).

В основном это статистические методы.

Однако наиболее полно позволяют убедиться в применимости модели натурные испытания, в ходе которых могут быть проверены логические решения, заложенные в основу построения модели [Р. Шеннон. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. - М.:

Издательство «Мир», 1978. - 418 с., стр.257-258], что реально позволяет определить степень ее адекватности.

Техническим результатом изобретения является устранение или существенное уменьшение в указанных выше способах недостатков, в том числе расширение функциональных возможностей технических решений с обеспечением адаптивного повышения степени адекватности модели системы связи.

Технический результат достигается тем, что в известном способе-прототипе, заключающемся в том, что описывают структуру сети связи, формируют модель системы связи с демаскирующими признаками ее элементов до начала функционирования, с использованием модели системы связи имитируют возникновение демаскирующих признаков элементов системы связи, процессы их обнаружения и распознавания, имитируют возникновение различных видов отказов, повреждений и сбоев основных элементов системы связи, рассчитывают значение показателя разведзащищенности моделируемой системы связи и сравнивают с требуемым значением, в случае несоответствия показателя разведзащищенности требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему связи, в случае выполнения требований развертывают реальную систему связи, на которой измеряют значения параметров демаскирующих признаков, на основе которых рассчитывают и сравнивают показатель разведзащищенности реально функционирующей системы связи с требуемым значением, в случае невыполнения требования реконфигурируют функционирующую систему связи, дополнительно при моделировании системы связи дополнительно имитируют служебную и оперативную нагрузку, рассчитывают вероятность своевременной передачи сообщений в системе связи, сравнивают рассчитанное значение вероятности своевременной передачи сообщений с требуемым, в случае несоответствия требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему, в случае выполнения требования рассчитывают значение вероятности правильного приема сообщений, сравнивают рассчитанное значение вероятности правильного приема сообщений с требуемым, в случае несоответствия требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему, в случае соответствия требуемому значению проверяют, проводился ли расчет степени адекватности модели, если расчет степени адекватности модели ранее проводился, то рассчитывают степень адекватности модели ε₁, ε₂, ε₃ по полученным новым значениям показателей, проверяют выполнение условия ε₁≥ε_тр1 для значения вероятности своевременной передачи информации, в случае не выполнения условия определяют параметры, влияющие на данный показатель, осуществляют их корректировку при моделировании системы связи, повторяют вышеперечисленные действия для оценки степени адекватности модели по значению вероятности правильного приема сообщений ε₂ и показателя разведзащищенности ε₃, если расчет степени адекватности не проводился, дополнительно в реально функционирующей системе связи разворачивают систему комплексного мониторинга, измеряют значения параметров всех характеристик развернутой системы связи, на основе измеренных значений рассчитывают вероятность своевременной передачи сообщений в реально функционирующей системе связи, сравнивают рассчитанное значение вероятности своевременной передачи сообщений с требуемым, в случае несоответствия требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему, в случае выполнения требования, рассчитывают значение вероятности правильного приема сообщений в реально функционирующей системе связи, сравнивают рассчитанное значение вероятности правильного приема сообщений с требуемым, в случае несоответствия требуемому значению реконфигурируют моделируемую систему, рассчитывают степень адекватности модели ε₁, ε₂, ε₃ по полученным новым значениям показателей, проверяют выполнение условия ε₁≥ε_тр1 для значения вероятности своевременной передачи информации, в случае не выполнения условия определяют параметры, влияющие на данный показатель, осуществляют их корректировку при моделировании системы связи, повторяют вышеперечисленные действия для оценки степени адекватности модели по значению вероятности правильного приема сообщений ε₂ и показателю разведзащищенности ε₃.

Это позволит построить (реконфигурировать) систему связи с учетом служебной и оперативной нагрузки, а также соответствия количественных показателей ко всем требованиям, предъявляемым к связи, требуемым нормативам, а также адаптивно повышать степень адекватности модели.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным 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 - обобщенная схема способа адаптивного повышения достоверности;

фиг.2 - блок-схема алгоритма способа адаптивного повышения адекватности модели системы связи.

Рассмотрим возможность реализации заявленного способа (фиг.1).

На основе заданных исходных данных формируют модель системы связи. Имитируют служебную и оперативную нагрузку, а также возникновение отказов, сбоев, повреждений элементов СС и появление на их основе ДМП. Далее оценивают смоделированную СС на выполнение таких требований, предъявляемых к связи, как своевременность, достоверность, безопасность. Для этого рассчитывают количественные показатели указанных характеристик (вероятность своевременной передачи сообщений, вероятность правильного приема сообщений, показатель разведзащищенности), которые сравнивают с заданными требуемыми значениями. В случае несоответствия значений показателей требуемым проводят реконфигурацию системы связи.

По итогам моделирования разворачивают реальную систему связи. В процессе ее функционирования измеряют значения параметров характеристик развернутой системы связи и на их основе рассчитывают те же количественные показатели (вероятность своевременной передачи сообщений, вероятность правильного приема сообщений, показатель разведзащищенности), которые также сравниваются с заданными требуемыми значениями. В случае несоответствия значений показателей требуемым, производится не только реконфигурация реально функционирующей системы связи, но и корректируется модель системы (связи 1.1-1.3, фиг.1).

В случае соответствия значений показателей требуемым оценивается степень адекватности модели. Для этого сравниваются значения одноименных показателей (вероятность своевременной передачи сообщений, вероятность правильного приема сообщений, показатель разведзащищенности) моделируемой и реально функционирующей систем связи.

В случае если степень адекватности не соответствует заданному значению, производится корректировка параметров, влияющих на показатели, отклонившиеся от требуемого значения (связь 3.1-3.3, фиг.1). При этом делаем допущение, что выбранные показатели независимы, а параметры сгруппированы так, что оказывают определяющее влияние на один из показателей, не влияют или влияют незначительно на остальные.

Реально функционирующая система связи не реконфигурируется.

Данные действия реализуются в виде блок-схемы алгоритма способа адаптивного повышения адекватности модели системы связи, представленной на фиг.1:

В блоке 1 происходит ввод данных. Исходными данными являются:

- данные о системе связи: состав, структура системы связи; матрица связности системы связи; матрица маршрутизации; матрица приоритетов сообщений, передаваемых по системе связи;

- заданные значения вероятностей: обнаружения ДМП элементов системы связи P_обн и распознавания ДМП элементов системы связи Р_расп;

- требуемые значения вероятностей: своевременности передачи сообщений , правильного приема сообщений , разведзащищенности системы связи ; требуемые значения степени адекватности по всем вышеперечисленным показателям ε_тр1, ε_тр2, ε_тр3,

- явления характерных ДМП элементов системы связи;

- данные по оперативной и служебной нагрузке (пределы изменения величин, законы изменения величин).

В блоке 2 происходит формирование модели системы. Формирование модели системы связи является известной процедурой и проводится по правилам, изложенным в кн.: Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992. - 206 с., стр.109-124.

В блоке 3 происходит имитация служебной и оперативной нагрузки.

Служебная электросвязь - предоставление и использование услуг электрической связи для организации технологических процессов на сетях связи, а также для оперативно-технического и административного управления ими. [Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 №126-ФЗ]

Оперативная связь - передача и прием деловой информации в пределах учреждения, предприятия и т.д. [Большой энциклопедический политехнический словарь, 2004].

В блоке 4 происходит имитация возникновения отказов, сбоев, повреждений элементов СС и появления на их основе ДМП.

Имитация возникновения отказов, сбоев элементов СС и появления на их основе ДМП осуществляется с использованием известных методов генерации (имитации), зависящих от вида распределения разыгрываемых величин, характеризующих математические ожидания времени возникновения внешних воздействий (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992. С.9-18; Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World: Учеб. пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 368 с.).

В блоках 5-10 производится оценка смоделированной СС на выполнение требований, предъявляемых к связи, - своевременность, достоверность, безопасность.

Своевременность - способность связи обеспечить передачу и доставку сообщений или ведение переговоров в заданное время [Советская военная энциклопедия. Т.7. М.: Воениздат, 1979. - 687 с., стр.271].

Достоверность - способность связи обеспечивать прием переданных сообщений с заданной точностью (Советская военная энциклопедия. Т.7. М.: Воениздат, 1979. - 687 с., стр.271).

Критерии оценки и количественные показатели своевременности и достоверности описаны в (А.Г. Ермишян. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях, соединениях. Часть 1. Методологические основы организационно-технических систем военной связи. ВАС, СПб. 2005 г., 741 с., стр.335-339).

Безопасность - состояние защищенности связи с помощью совокупности специальных средств и методов, а также организационных мер с целью сохранения таких ее качественных характеристик (свойств), как разведзащищенность и иммитостойкость, определяющую способность связи противостоять вводу в нее ложной информации. [Министерство обороны Российской Федерации. Энциклопедия. [Офиц. сайт] LJRL: http://encyclopedia.mil.ru/encyclopedia/dictionary/details.htm?id=12641@morfDictionary. Дата обращения 22.01.2014].

В блоке 5 происходит расчет вероятности своевременности передачи сообщений в СС.

Вероятность своевременной передачи сообщений в системе связи может быть рассчитана по формуле (Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. - М.: КНОРУС, 2010. - 664 с., с 27):

где N_св - количество своевременно переданных сообщений,

N - количество всех переданных сообщений.

В блоке 6 осуществляется проверка условия . В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 7, в противном случае на блок 11.

В блоке 7 осуществляется расчет вероятности правильного приема сообщения СС.

Вероятность правильного приема сообщений может быть рассчитана по формуле (Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. - М.: КНОРУС, 2010. - 664 с., с 27):

где N_пс - количество правильно принятых сообщений, N - количество всех переданных сообщений.

В блоке 8 осуществляется проверка условия . В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 9, в противном случае на блок 11.

В блоке 9 осуществляется расчет показателя разведзащищенности СС.

Расчет показателя разведзащищенности описан в (Способ контроля демаскирующих признаков системы связи. Патент RU №2419153С2, кл. G06N 5/00, опубл. 20.05.2011 г., бюл. №14).

В блоке 10 осуществляется проверка условия . В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 12, в противном случае на блок 11.

В блоке 11 осуществляется реконфигурация СС, которая заключается в изменении структуры функционирующей системы связи, ее топологии, режимов работы линий и средств связи, введением в работу резерва каналов, линий и средств связи, восстановлением поврежденных и отказавших средств связи, изменением частот передачи, приема, мощности, видов сигнала, азимутов и видов антенных устройств РЭС, использования помехозащищенных режимов, маршрутов и интенсивности передачи сообщений.

В блоке 12 осуществляется проверка: «Оценка степени адекватности модели проводилась?». В случае выполнения условия осуществляется переход на блок 25, в противном случае - на блок 13.

В блоке 13 осуществляется проверка условия «Система связи развернута?». В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 14, в противном случае на блок 15.

В блоке 14 осуществляется реконфигурация развернутой СС с учетом данных, полученных в ходе моделирования.

В блоке 15 развертывают реальную систему связи на основе выходных результатов моделирования.

В блоке 16 осуществляется функционирование реальной СС с характерными ДМП.

В блоке 17 развертывают комплексную систему мониторинга, предназначенную для систематического измерения значений параметров характеристик системы связи.

В блоке 18 система комплексного мониторинга измеряет значения параметров всех характеристик развернутой системы связи, необходимых для расчета показателя реальной разведзащищенности, вероятности своевременной передачи сообщений в развернутой СС, вероятности правильного приема сообщений в развернутой СС.

В блоке 19 происходит расчет вероятности своевременности передачи сообщений в развернутой СС.

В блоке 20 осуществляется проверка условия , в случае выполнения условий осуществляется переход на блок 21, в противном случае на блок 11.

В блоке 21 осуществляется расчет вероятности правильного приема сообщения развернутой СС.

В блоке 22 осуществляется проверка условия , в случае выполнения условий осуществляется переход на блок 23, в противном случае на блок 11.

В блоке 23 рассчитывают показатель реальной разведзащищенности развернутой СС.

В блоке 24 осуществляется проверка условия , в случае выполнения условий осуществляется переход на блок 25, в противном случае на блок 11.

В блоке 25 осуществляется оценка степени адекватности модели.

Степень адекватности модели оценивается по каждому показателю (вероятности своевременной передачи сообщений, вероятности правильного приема сообщения, показателя разведзащищенности) и может быть рассчитана по формулам:

- для вероятности своевременной передачи сообщения:

где Р_{сп разв сс} - вероятность своевременной передачи сообщений в развернутой системе связи,

P_сп - вероятность своевременной передачи сообщений в смоделированной системе связи,

- для вероятности правильного приема сообщений:

где Р_{пс разв сс} - вероятность правильного приема сообщений в развернутой системе связи,

Р_пс - вероятность правильного приема сообщений в смоделированной системе связи,

- для показателя разведзащищенности:

Р_{рз разв сс} - показатель разведзащищенности в развернутой системе связи,

Р_рз - показатель разведзащищенности в смоделированной системе связи.

Полное совпадение значений показателей оценивается 1. В исходных данных задается требуемая степень адекватности модели по каждому показателю ε_тр1, ε_тр2, ε_тр3, которая может быть отлична от 1. В случае, если рассчитанная степень адекватности модели хотя бы одного из показателей ε₁, ε₂, ε₃ не соответствует требуемому значению, определяются параметры, влияющие на данный показатель, и производится их корректировка в модели до достижения требуемого значения. При достижении требуемых значений модель считается адекватной.

В этих целях в блоке 26 осуществляется проверка условия ε₁≥ε_тр1. В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 29, в противном случае на блок 27.

В блоке 27 определяются параметры, влияющие на данный показатель.

В блоке 28 производится их корректировка.

В блоке 29 осуществляется проверка условия ε₂≥ε_тр2. В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 30, в противном случае на блок 27.

В блоке 30 осуществляется проверка условия ε₃≥ε_тр3. В случае выполнения условий осуществляется переход на блок 31, в противном случае на блок 27.

В блоке 31 осуществляется вывод результатов моделирования.

Выходными данными являются: степень адекватности модели. Таким образом, за счет введения имитации служебной и оперативной нагрузки в модель системы связи, учета всех основных требований, предъявляемых к связи, и их соответствия требуемым нормам, корректировки на этапах несоответствия требуемым нормам не только реально функционирующей системы, но и модели, повышается степень адекватности модели, то есть достигается реализация сформированного технического результата.