Комплекс средств управления организационно-техническими системами обеспечения надёжности авиационной техники

Широкое внедрение информационных технологий во все сферы жизнедеятельности экономически развитых государств и сопутствующая ему повсеместная интеграция средств вычислительной техники (СВТ) определили существенную зависимость важнейших процессов в экономической, политической, промышленной, военной, социальной деятельности от качества функционирования сложных организационно-технических систем (СОТС). Прогрессирующее усложнение СОТС, резко повышая возможности реализации основных технологических процессов, одновременно определяет их уязвимость от воздействия неблагоприятных факторов (НФ) самой различной природы. В связи с этим практически значимой становится задача обеспечения требуемого качества функционирования СОТС как при целенаправленном (умышленном) воздействии НФ, так и при проявлении природных НФ.

Существенная разнородность архитектур современных СОТС, определяемая их целевым назначением, обусловила также многообразие применяемых аппаратных и программных средств, территориально распределенных на больших расстояниях и объединенных посредством коммуникационного оборудования. Данное обстоятельство существенно усложняет создание единых методических решений по обеспечению требуемого качества функционирования таких систем и определило выбор в качестве объекта исследования СОТС. С позиций системного подхода, обеспечение требуемого качества функционирования сложных систем должно обеспечиваться за счет синтеза и практического применения соответствующих алгоритмов управления. В связи с этим в работе исследуются подходы к созданию комплексов управления СОТС.

Предметом исследования является методическое обеспечение формирования структуры комплекса средств управления СОТС.

Проведенный автором анализ научных работ по рассматриваемой проблеме показал, что вопросы создания комплексов управления сложными организационно-техническими системами в известной литературе рассматриваются на уровне частных задач. При этом существующие решения посвящены обеспечению надежности сложных систем [35, 57, 64], безопасности хранимой и обрабатываемой в них информации [15, 16, 35 и др.]. Кроме того, достаточно большое количество научных публикаций по обеспечению требуемого качества функционирования сложных систем являются на сегодняшний день устаревшими и не учитывают специфику применяемых в СОТС современных информационных технологий, обуславливающих, в частности, значительную разнородность и распределенность СОТС, отсутствие ярко выраженной иерархической структуры и т. п.

Наиболее близкими к тематике проводимого исследования являются работы [10, 11], определяющие наиболее общие подходы к созданию комплексной системы управления, [28], посвященной разработке частных алгоритмов синтеза комплекса средств управления (СУ), а также [68], раскрывающей наиболее общие алгоритмы мониторинга и управления структурной динамикой сложных систем. В отличие от указанных работ, рамки проводимого исследования ограничиваются синтезом структуры комплекса СУ, обеспечивающего функционирование СОТС в условиях воздействия любых известных НФ и их совокупностей. В такой постановке исследование проводилось автором впервые, что определяет актуальность работы, ее теоретическую новизну и высокую практическую значимость.

Таким образом, актуальность проведения исследований в данной предметной области обусловлена:

— резким усложнением СОТС, использующих информационные технологии (ИТ) последней разработки;

— повышением роли СОТС при реализации важнейших процессов жизнедеятельности Российской Федерации в экономической, политической, промышленной, военной, социальной и других областях;

— значительным повышением уязвимости сложных систем от воздействия НФ, как имеющих случайную природу, так и целенаправленных;

— 7— отсутствием комплексных теоретических исследований и практических результатов в области обеспечения заданных требований по качеству функционирования СОТС в условиях воздействия неблагоприятных факторов.

В целом высокая практическая значимость и недостаточная теоретическая проработка проблемы формирования структуры комплекса средств управления СОТС обусловили выбор темы диссертационного исследования, определили его цель и задачи.

Целью исследования является решение научной задачи по обеспечению требуемого качества функционирования СОТС на основе формирования комплекса средств управления.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

1) проведение анализа причин снижения качества функционирования СОТС в процессе эксплуатации в условиях воздействия неблагоприятных факторов различной природы;

2) разработка методических средств оценивания и прогнозирования качества функционирования СОТС в условиях воздействия неблагоприятных, факторов для выявления уязвимых мест системы и оценки возможного ущерба при реализации неблагоприятных факторов;

3) разработка методических средств для принятия решений по формированию структуры комплекса средств управления для обеспечения требуемого качества функционирования СОТС;

4) разработка рекомендаций по практическому применению результатов исследования для повышения качества функционирования СОТ (на примере системы обеспечения надежности авиационной техники).

В качестве основных методов исследования использованы методы теории вероятностей, теории игр, теории управления, теории планирования экспериментов, а также методы имитационного моделирования.

Обоснованность и достоверность выводов исследования подтверждается корректностью применения математического аппарата, данными экспериментального исследования и апробацией на научно-технических конференциях и семинарах различного уровня.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключаются в том, что в ней впервые:

— разработана методика оценивания и прогнозирования качества функционирования СОТС на основе применения теоретико-игровых моделей с учетом воздействия НФ различной природы;

— предложен метод выявления уязвимых мест сложной системы, запатентованный в устройстве накопления и обработки информации (патент № 20 463 97 от 20.10.1995 г.);

— предложен алгоритм оценки возможного ущерба в процессе функционирования сложной системы, основанный на представлении многошагового процесса функционирования СОТС в условиях воздействия НФ в виде совокупности взаимосвязанных биматричных игр;

— разработана оригинальная методика обоснования принятия решений по формированию структуры комплекса средств управления СОТС, позволяющая обеспечить требуемое качество функционирования сложных систем и учитывающая внедрение современных ИТ и заданные ресурсные ограничения.

Практическая значимость исследования состоит в том, что применение результатов исследования для формирования структуры комплекса средств управления СОТС, функционирующей в условиях воздействия неблагоприятных факторов, позволяет:

— на 15.40% повысить качество функционирования СОТС в условиях воздействия НФ различной природы;

— на 18.35% повысить оперативность и до 10−20% снизить затраты на проведение мероприятий по управлению СОТС;

— проводить обоснование требований по управлению СОТС, функционирующих в условиях реализации НФ;

— 9- практически реализовать методическое обеспечение принятия решений по формированию структуры комплекса средств управления в существующих и перспективных СОТС.

Проведённые в соответствии с целью исследования определили положения, выносимые на защиту:

1) теоретико-игровые модели функционирования СОТС в условиях воздействия неблагоприятных факторов различной природы;

2) методика оценивания и прогнозирования качества функционирования СОТС в условиях воздействия неблагоприятных факторов;

3) методика принятия решений по формированию структуры комплекса средств управления СОТС с учетом возможностей влияния НФ на качество функционирования сложной системы;

4) рекомендации по обеспечению требуемого качества функционирования СОТС в процессе эксплуатации в условиях воздействия НФ.

Диссертация состоит из введения, трех разделов с выводами по ним, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты, полученные в ходе выполненных исследований, реализованы в ФГУ «13 Государственный научно-исследовательский институт Минобороны России» при проведении работ в области обоснования требований к качеству функционирования систем управления инженерно-авиационным обеспечением Военно-воздушных сил.

Дальнейшее развитие научных исследований в данной области целесообразно проводить в следующих основных направлениях:

— разработка методических средств автоматизированного мониторинга и прогнозирования качества функционирования СОТС;

— 126- разработка моделей восстановления штатного режима функционирования СОТС при проявлении неблагоприятных факторов различной природы;

— разработка многоагентных технологий управления распределенных сложных систем, использующих существенно разнородные программные и технические средства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведения диссертационных исследований были получены следующие научные и практические выводы и результаты.

1) Современные СОТС широко используются в существующей информационной инфраструктуре Российской Федерации (РФ) и в значительной степени влияют на обеспечение жизнедеятельности и формирование условий для дальнейшего развития государства. Многообразие существующих и перспективных сложных систем, решаемых ими задач, используемых технических и программных средств, наряду с территориальной распределенностью сегментов, значительным объемом хранимой, обрабатываемой и передаваемой информации, а также ограничением финансирования на развитие и модернизацию определяют их высокую уязвимость от при воздействии различных НФ.

2) С целью обеспечения требуемого качества функционирования сложных организационно-технических систем в условиях воздействия неблагоприятных факторов необходимо решение научной задачи, математическая постановка которой в работе представлена как оптимизационная задача поиска рационального варианта структурного построения комплекса средств управления при наличии ограничения на стоимость его применения и функционирования. При этом структура комплекса СУ как сложной системы задается совокупностью множеств, определяющих порядок установки, настройки, применения и модернизации программных и технических средств СОТСподсистема разграничения доступа пользователей, задач, процессов к ресурсам сложной системыконтроля функционирования системыа также восстановления её функций при возникновении нештатных ситуаций.

3) В результате решения задачи исследования разработаны теоретико-игровые модели предсказателя системы управления сложными системами при сигнально неопределенных воздействиях, включающие динамические модели процессов функционирования сложных систем как при полной, так и при неполной информации о последовательности реализации сигнально неопределенных зависимых неблагоприятных факторов. Разработаны предложения по решению многошаговых игр большой размерности на основе использования рекурсивной процедуры, аналогичной известному алгоритму решения задач динамического программирования. Показано, что отсутствие оценочных значений «промежуточных» вершин древовидного графа определяет неоднозначность решения (парадокс Эрроу). На основе исследования проблемы неоднозначности равновесной ситуации (по Нэшу) в многошаговой игре с полной информацией разработаны предложения по выбору критерия оптимальности с целью нахождения определенного решения. Для модели с неизвестной последовательностью реализации неблагоприятных факторов обосновано, что неоднозначность положения игрока в информационном множестве, включающем несколько позиций, позволяет заранее (до выполнения последовательности тех или иных ходов в игре) указать необходимую стратегию поведения в игре с неполной информацией.

4) Разработана методика оценивания и прогнозирования качества функционирования СОТС в условиях воздействия неблагоприятных факторов, основанная на последовательном использовании алгоритма расчета би-матричной игры для любой отдельно взятой пары стратегий древовидного графа, описывающего конфликтную ситуацию. При этом многошаговая игра декомпозируется на совокупность биматричных игр, что позволяет детерминировано рассчитать цену игры не только для конечных позиций графа, задающего многошаговую игру, но и для всех промежуточных позиций. Это позволяет исследовать процесс функционирования СОТС в условиях воздействия НФ для любой совокупности стратегий участников конфликтной ситуации (в том числе — не являющейся функционально законченным сценарием). При разработке методики использовался метод Лемке-Хаусона нахождения равновесного (по Нэшу) решения цены биматричной игры.

5) С целью формирования структуры комплекса средств управления сложными системами при заданных ресурсных ограничения с учетом уеловий воздействия неблагоприятных факторов различной природы при проведении исследований была разработана соответствующая оригинальная методика. Поиск пригодного варианта построения комплекса средств управления осуществлялся на основе расчета показателей качества функционирования СОТС для различных вариантов построения комплекса СУ.

6) В ходе проведения вычислительных экспериментов выявлены закономерности изменения показателя качества функционирования объектов СОТС от эффективности СУ для различных параметров НФ, от эффективности реализации НФ при различных параметрах СУ, а также собственно от информационной ценности самого объекта при различных параметрах СУ и НФ. На основе экспериментальных исследований показано, что применение результатов позволяет на 15.40% повысить качество функционирования сложных организационно-технических систем, на 18.35% повысить оперативность и до 10.20% снизить затраты на проведение мероприятий по управлению сложными системами. Определены особенности применения методического обеспечения управления в современных СОТС и разработаны рекомендации по обеспечению заданных требований к качеству функционирования сложных систем в условиях воздействия неблагоприятных факторов при создании сложных систем.