автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка методов и моделей анализа и оценки устойчивого функционирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях преднамеренного воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений

На правах рукописи

Михайлов Виктор Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.12ЛЗ -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

15 Ш 2ИЦ 005549250

Москва- 2014

005549250

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт «Аргон»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Анатолий Валерьевич

Царегородцев

Официальные оппоненты: Брехов Олег Михайлович

Фоминич Эдуард Николаевич -

Савченко Владимир Петрович -

доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) заведующий кафедрой «Вычислительные машины, системы и сети»

доктор технических наук, профессор, Лауреат премии Совета Министров СССР, Военный институт (инженерно-технический) ФГК ВОУ ВПО «Военная академия материальнотехничес-кого обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева», профессор кафедры электроснабже-нья, электрооборудования и автоматики доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии РФ, ОАО «Радиотехнический институт им. Академика А.Л.Минца», генеральный директор

Ведущая организация: ФГУП «Центральный научно - исследовательский

радиотехнический институт им. академика А.И. Берга»

Защита состоится « 30 » июня 2014 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», по адресу:101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д.20 и на сайте: www.hse.ru.

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь \

диссертационного

совета, к.т.н., профессор — Ч Грачев Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы исследования

В последнее десятилетие необходимость обеспечения защищенности структурно-сложных систем от мощных электромагнитных излучений (ЭМИ) становится обязательным условием при их проектировании. При этом надо иметь в виду, что компоненты любой структурно-сложной системы распределены в пространстве и связь между ними физически осуществляется при помощи сетевых соединений, реализованных в виде структурированных кабельных систем (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.п.). Всё это выставляет определенные требования, как к электронному оборудованию, так и к информационной инфраструктуре, которые следует рассматривать как единое целое, и нарушение информационной целостности в одном звене приведет к нарушению работы всей системы. К тому же, технология, обеспечивающая высокие скорости обработки информации, обладает повышенной чувствительностью к наведенным напряжениям и токам, вызванным электромагнитными полями от различных источников естественного и искусственного происхождения, включая преднамеренные силовые электромагнитные воздействия.

Особенно это относится к современным бортовым цифровым вычислительным комплексам, функционирующих в условиях преднамеренного воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений, которые занимают особое место в системах управления и контроля подвижными объектами, и все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. В связи с чем, сегодня особо остро стоит задача по защите бортовых цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) от воздействия сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ). Кроме того, имеется устойчивая тенденция всё большего использования в современных бортовых цифровых вычислительных комплексах микропроцессорных устройств с временами срабатывания единицы и доли наносекунд и значительного уменьшения уровней и длительности сигналов для передачи информации, а также появление более мощных стационарных и мобильных излучателей, формирующих периодические и однократные сверхкороткие электромагнитные импульсы и обладающие принципиально новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников ЭМИ: соразмерностью длительности воздействующих импульсов с длительностью информационных сигналов.

Установлено также, что источники мощных ЭМИ способны оказывать воздействия на БЦВК и его элементы, приводящие к частичному нарушению целостности и полной потери передаваемого информационного сигнала, а в некоторых случаях к нарушению функционирования элементов и узлов БЦВК.

При этом важной особенностью данного воздействия является часто не физическое разрушение элементной базы вычислительных комплексов и физических каналов связи, а искажение обрабатываемой информации.

Особую актуальность данная проблема приобретает еще и в связи с принятием нового поколения национальных и международных стандартов по электромагнитным явлениям и разработкой новых типов источников электромагнитной энергии, которые характеризуются более высокими значениями ЭМП и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной и субнаносекундной областях. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие ЭМИ, сложность современного бортового оборудования затрудняют получение достоверной информации о степени поражения и механизмах поражения.

На сегодняшний день несколькими научными школами, возглавляемыми российскими (Ю.В. Парфеновым, Н.В. Балюком, Ю. Сахаровым, Т.Р. Газизо-вым, М. И. Жуковским, С.А. Сухоруковым) и зарубежными (W. Radasky, С. Baum, D. Nitsch, I. Kohlberg, D. Giri, F. Tesche, H. Garbe, F. Sabath, M. Ianoz) учеными, проведено значительное количество исследований, подтверждающих, что с помощью генераторов сверхкоротких электромагнитных импульсов, инжектирующих тем или иным способом импульсы напряжения в физическую среду передачи информации, можно воздействовать на обмен данными по сети между оконечными пользователями. При этом существующими средствами диагностики факт такого воздействия может не определяться, так как сетевое соединение при этом не разрушается.

Определенные успехи были достигнуты в решении задач анализа стойкости структурно-сложных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Большой вклад в решение этой проблемы внесли советские и российские ученые: Кечиев JI.H., Соколов A.A., Мырова JI.O., Сахаров К.Ю., Степанов П.В., Михеев О.В., Туркин В.А., Комягин С.И., Крохалев Д.И., Царегородцев A.B., Штейнберг В.И., а также научные коллективы ФГУ 12 ЦНИИ МО, ОАО «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, ОАО «НИИ «АРГОН», ОИВТ РАН, ФГУП «ЦентрИнформ», НИИПП, НИИИТ, ГНИИИ ПТЗИ.

В то же время, оценка стойкости структурно-сложных систем, какими являются, в частности, БЦВК представляют пока малоисследованную научную проблему. Систематизация и обобщение этих результатов, которые бы определили методологию обеспечения и оценки стойкости управляющих БЦВК к воздействию мощных ЭМП с учетом требований международных стандартов, прогноза параметров воздействия, средств защиты до сих пор не проведены.

С учетом изложенного можно заключить, что в настоящее время СК ЭМИ является новой серьезной угрозой для бортовых комплексов подвижных объектов и в современных условиях проблема оценки ЭМВ на такой класс систем управления становится одной из актуальных. Все это требует пересмотра традиционных подходов к обеспечению и оценке устойчивости бортовых вычислительных управляющих комплексов к воздействию мощных ЭМВ в рамках новой методологии, позволяющей не только оценивать уровень устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, но и обеспечивать требуемый уровень их устойчивости путем реализации перспективных эффективных мер, таких как, например, реконфигурация бортового комплекса и т.п.

Данная работа призвана восполнить отмеченный пробел, так как посвящена решению актуальной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение , а именно, разработке научно-методологических основ обеспечения и оценки устойчивости бортовых вычислительных управляющих комплексов к воздействию мощных ЭМП с учетом требований международных стандартов и прогноза параметров воздействия и их интеграции в рамках единого комплекса интеллектуальных методов анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ.

Цель исследования

Обеспечение устойчивого функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия СК ЭМИ, путем разработки новых эффективных методов и расчетных моделей оценки воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК на основе использования интеллектуальных механизмов нейронных сетей с целью минимизации временных затрат на восстановление БЦВК после сбоев вызванных этими воздействиями.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1) анализ состояния проблемы обеспечения устойчивого функционирования структурно-сложных иерархических систем в условиях воздействия преднамеренных импульсных электромагнитных излучений;

2) обобщение существующих методов и моделей оценки устойчивости РЭА к воздействию СК ЭМИ и исследование особенностей воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы бортовых вычислительных комплексов;

3) адаптация существующих и разработка новых моделей взаимодействия мощных ЭМИ с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ;

4) разработка модели оценки воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, отражающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом

их места воздействия, временных, частотных и энергетических характеристик;

5) разработка модели интеллектуальной системы анализа устойчивости (ИСАУ) элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию CK ЭМИ;

6) разработка методов интеллектуального анализа и оценки устойчивости бортового вычислительного комплекса к воздействию CK ЭМИ;

7) разработка методов защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока;

8) разработка научно-методического обеспечения проведения экспериментальных исследований бортовых вычислительных комплексов на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений;

9) проведение экспериментальных исследований устойчивости ряда БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных ЭМП и анализ полученных результатов исследований;

10) разработка единого методологического комплекса системного решения проблемы обеспечения эффективного функционирования БЦВК, позволяющего проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в бортовом вычислительном комплексе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ.

Объект исследования. Объектами исследования в работе выбраны типовые БЦВК, разработанные в НИИ «Аргон», их элементы, как общего, так и специального назначения. Выбранные объекты являются наиболее перспективными для использования в авиационных и космических комплексах при решении задач управления и контроля на подвижных объектах.

Предмет исследования - методы и модели анализа и оценки устойчивости функционирования БЦВК к преднамеренному воздействию CK ЭМИ.

Методы исследования базируются на применении основных результатов теории больших систем, системного анализа, нейронных сетей, теории информации, теории вероятностей и теории случайных процессов, теории электро-магнитизма и методов математической статистики. Активно использовались методы имитационного (в средах MATLAB Neural Network, MATLAB Simulink), полунатурного и натурного моделирования.

Научная и теоретическая новизна

1. На основе проведенного аналитического обзора исследований по теме диссертации, показана необходимость пересмотра традиционных подходов к обеспечению устойчивости структурно-сложных систем при воздействии на их элементы CK ЭМИ и сформулированы предпосылки к разработке принципиально новых расчетных моделей анализа и оценки воздействия полей ЭМИ на них с возможностью их интеграции в рамках единого методологического комплекса, позволяющего проводить достоверную оценку устойчи-

вости такого класса систем к воздействию СК ЭМИ на основе интеллектуальных методов анализа и оценки параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия СК ЭМИ.

2. Сформулированы новые базовые принципы построения ИСАУ БЦВК на основе адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий (СОДЭМВ) на элементы и узлы БЦВК, являющейся ядром интеллектуальной системы. При этом нижний уровень решает проблемы оперативной идентификации ЭМВ, а верхний - накопления опыта по обнаружению последствий деструктивных ЭМВ на БЦВК путем использования датчиков ЭМВ, распределенных по структуре ИСАУ.

3. Предложена впервые модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, позволяющая обеспечить возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в реальном масштабе времени.

4. Разработаны новые и адаптированы существующие модели взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, в том числе:

- модель воздействия СК ЭМИ на микропроцессорные управляющие устройства БЦВК, учитывающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их места воздействия, временных, частотных и энергетических характеристик;

- модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных современных БЦВК при воздействии периодических импульсных помех, учитывающая длину кадра и межкадрового интервала, с целью своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока.

5. Разработаны методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ на основе использования интеллектуальных механизмов нейронных сетей, нечеткой логики и нейро-нечетких систем, а также генетических алгоритмов и эволюционных процессов наследования, развития, адаптации и отбора, обеспечивающих возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК в реальном режиме времени.

6. Разработана система показателей и комплекс методов защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока, позволяющий, в том числе, оптимизировать

соотношение «стоимость/эффективность» защиты за счет размещения на иерархических уровнях ИСАУ только необходимых датчиков ЭМВ и оценивать устойчивость БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ через величины относительного ущерба и интегральные показатели активности распределенных по структуре ИСАУ датчиков ЭМВ.

7. Разработано научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК, позволяющее формировать программу проведения испытаний и критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

8. Разработана новая методология, направленная на решение проблемы обеспечения устойчивости функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия СК ЭМИ, позволяющая проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ на БЦВК, включая минимизацию временных затрат на восстановление БЦВК после сбоев вызванных этими воздействиями.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) Новые базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК на основе адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных ЭМВ на элементы и узлы БЦВК.

2) Модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, позволяющая обеспечить возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в реальном масштабе времени.

3) Комплекс моделей взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, учитывающие возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их амплитуды, фронта импульса и энергии, а также длину кадра и межкадрового интервала, с целью своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока.

4) Методы интеллектуального анализа параметров искажений информационного потока в системе с учетом априорного опыта экспертов и возможности извлечения любых знаний с целью повышения достоверности оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ.

5) Методы защиты бортового вычислительного комплекса от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока, позволяющие повысить устойчивость БЦВК и оптими-

зировать соотношение «стоимость/эффективность» защиты.

6) Методики проведения экспериментальных исследований БЦВК на воздействие преднамеренных СК ЭМИ, позволяющие формировать критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

7) Новая методология, направленная на решение проблемы обеспечения устойчивого функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия СК ЭМИ, позволяющая предотвращать деструктивное воздействие ЭМИ, включая минимизацию временных затрат на восстановление системы после сбоев.

Практическая значимость. Практическая значимость диссертационной работы определяется полученными результатами и включает:

1. Системные методы обеспечения устойчивого функционирования бортовых вычислительных комплексов при воздействии СКИ ЭМИ с использованием структурно-функциональных и алгоритмических подходов к построению интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ и рекомендации по совершенствованию методов и средств защиты БЦВК от воздействия СК ЭМИ.

2. Комплекс методик проектирования интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.

3. Комплекс моделей взаимодействия СК ЭМИ с элементами БЦВК интегрированных в адаптивную многоуровневую систему обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК.

4. Комплекс методик по оценке воздействия ЭМИ на составные элементы современных бортовых вычислительных комплексов.

5. Требования к аппаратно-программным комплексам, обеспечивающим реализацию алгоритмов работы современных сетевых устройств БЦВК по передаче и обработке потоков цифровых информационных сигналов в соответствии с современными телекоммуникационными протоколами сетевого обмена.

6. Комплекс методик проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, позволяющий формировать программу проведения испытаний и критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

7. Новые результаты экспериментальных исследований воздействия импульсных ЭМП на БЦВК, позволяющие определять пороговые уровни и режимы воздействия излучателей СК ЭМИ на бортовую кабельную сеть и БЦВК.

8. Практические рекомендации по защите БЦВК от СКИ ЭМИ, позволя-

ющие обеспечить стойкость бортового вычислительного комплекса в сложной электромагнитной обстановке.

Достоверность полученных автором научных и практических результатов определяется математическими доказательствами сформулированных положений, расчетами и примерами, подтверждающими их эффективность, и сопряжением с существующими методами, а также:

- обоснованностью выбора исходных данных, основных допущений и ограничений при постановке частных задач исследования и принятых в процессе математического моделирования;

-удовлетворительным согласованием результатов с данными, полученными другими авторами для частных случаев и опубликованными в научно-технической литературе;

- соответствием результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований, проведенных лично автором;

-апробацией результатов исследований автора на международных, всероссийских и ведомственных научно-технических конференциях.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы в ОАО «НИИ «Аргон» при непосредственном участии автора в разработке ряда унифицированных БЦВМ, информационно-управляющих систем авиационных объектов в НИОКР «Конверт», «Форейтор» и «Окно», 2009 г.; вычислительной системы телекоммуникационных спутников серии «Ямал», 2010 г.; средств комплексирования бортовой системы управления космических аппаратов; разработке промышленной технологии создания унифицированного отказоустойчивого вычислителя для комплекса бортового оборудования в ОКР «Кластер», 2012 г.; разработке технологии создания специального, отказоустойчивого, высокопроизводительного, модифицируемого бортового вычислительного комплекса специального назначения со встроенной гигабитной волоконно-оптической средой передачи информации для авиационных и мобильных объектов автоматизации и управления в ОКР «Волопас», 2013 г.

2. Разработанные методики, программы, технические решения использовались при формировании технических заданий на создание БЦВМ нового поколения. Использование результатов данной работы позволило повысить показатели устойчивости БЦВМ к воздействию перспективных СК ЭМИ.

3. Разработанные технические решения по защите от импульсных ЭМИ использовались в ОАО «МНИРТИ» при создании помехозащищенных спутниковых станций радиосвязи в ОКР «Метеор».

4. Результаты диссертационной работы находят широкое применение в учебном процессе в МИЭМ НИУ ВШЭ и МИРЭА. На их основе для подготовки

студентов и магистров на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации» существенно переработаны учебные курсы «Основы проектирования РЭА», «Сверхширокополосные импульсные электромагнитные воздействия на РЭС».

Научные результаты работы использованы для написания учебных пособий, методических указаний для студентов направления 210200.

Имеются 4 Акта о внедрения полученных автором результатов.

Апробация результатов исследования.

Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на: 10-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов», г. С-Петербург, 2008 г.; НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2008 г.; 6-й Международной конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах», Греция, 2-6 июня 2008 г; научно-практической конференции ИНФО-2008 «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий», 1-10 октября, 2008г., Сочи; 8-м и 9-м Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, СПб, 2009, 2011 гг.; Международной НТК «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Москва, 21-25 ноября 2011 г; 8-й МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Абхазия, 17-29 сентября 2012 г.; 6-й Всероссийской НТК «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 19-22 ноября, 2012 г.; Международная конференция IREMW2013 Access Data Collection: {88682АА2-В816-4В9А-ААЕ4-F418ECC88666} «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2013», Дивноморское, Геленджикский район, 23 июня-28 июня 2013 г.; научно-технических семинарах МИЭМ, МИРЭА с 2009 г. по 2012 г. и т.д.

Публикации. Научные и практические результаты работы отражены в 62 опубликованных работах, в том числе 29 статей в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2132598 от 20.08.98 г., № 2138931 от 09.10.98 г., заявка на изобретение № 2014105854 от 18.02.2014 и заявка на полезную модель № 2014109109 от 12.03.2014.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены автором самостоятельно и соответствуют пунктам 3, И и 14 паспорта специальности 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач, результаты моделирования устройств и частично их конструктивные решения, а также обобщение полученных результатов. Личный вклад в публикациях 29,0 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и изложена на 390 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 91 рисунок. Список литературы включает 277 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель работы, основные задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы по исследованию воздействия на РЭА преднамеренных ЭМВ различного происхождения, который показал, что сегодня во всем мире идет поиск и освоение новых источников энергии, в том числе и электромагнитных. В частности, в последние годы в США, РФ и других ядерных странах развернулись исследования по созданию оружия основанного на принципах излучения СК ЭМИ большой мощности.

Проведенный анализ показал также, что мировая общественность озабочена опасным влиянием этих мощных СК ЭМИ на все виды радиоэлектронного оборудования, в том числе и БЦВК. Для этого в работе проведен анализ особенностей воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, который показал, что широкополосность и высокая частота повторения СК ЭМИ делают этот вид ЭМВ значительнее опаснее воздействия ЭМ ЯВ. Соизмеримость длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов при обработке цифровой информации часто приводит не к физическому разрушение элементной базы БСУ и каналов связи, а нарушению логической целостности информации, передаваемой по линиям связи и обрабатываемой вычислительными средствами.

Кроме того, анализ показал влияние воздействия СК ЭМИ и уровни, при которых в сети Ethernet БЦВК начинают возникать ошибки в кадрах при передаче данных по сети; ошибки, при которых передача данных невозможна, но еще отсутствует разрушение сетевого соединения и ошибки, при которых происходит разрушение сетевого соединения. Воздействию на физическую среду Ethernet СК ЭМИ до настоящего времени практически не уделялось должного внимания, в связи с чем в работе были отражены эти вопросы.

Проведен анализ существующих методов оценки устойчивости информационных средств к воздействию СК ЭМИ, который показал, что наряду со значительными достижениями существующие методы не позволяют проводить достоверную оценку воздействия ЭМИ на БЦВК, в частности: в настоящее время лишь разработаны и применяются методы оценок, позволяющие рассчитывать токи и напряжения, наводимые электромагнитными излучениями в микро и

миллисекундном временном диапазоне в кабельных линиях. В связи с этим особую актуальность приобрели вопросы, связанные с оценкой устойчивости бортовых систем к поражающим наносекундным ЭМИ перспективных генераторов с учетом целого ряда влияющих факторов (разветвленности кабельных линий, частотной зависимости электрических характеристик кабелей и т.п.).

Решение этих задач методами математического моделирования сегодня не представляется возможным ввиду отсутствия соответствующего методического аппарата. Анализ численных методов решения таких задач показывает невозможность получения достоверных расчетных результатов имеющимися выше методами в связи с тем, что:

а) временные параметры СК ЭМИ (длительность фронта импульса -тф., длительность импульса -т„,5) существенно короче, чем аналогичные параметры ЭМИ обычных ядерных боеприпасов. Поэтому возникает проблема применимости телеграфных уравнений, используемых при анализе ЭМИ ЯВ, т.к.:

- существующая модель не учитывает собственное излучение кабеля, весьма существенное на частотах более 10 МГц (спектральный состав СК ЭМИ включает частоты до 10 ГГц);

- при выводе телеграфных уравнений предполагается, что ток в проводнике обладает цилиндрической симметрией, это допущение может быть не верным для высоких частот, входящих в состав частотного спектра СК ЭМИ;

б) для определения частотно-зависимых электрофизических характеристик кабельных линий применяют различные приближенные методы (приближения Карсона, Зунде и др.), применимость которых на этих частотах не обоснована;

в) при рассмотрении воздействия ЭМИ на кабельные линии с неоднородными экранами вводилось упрощение, и экраны рассматривались как сплошные. Это допущение корректно пока длина волны воздействующего ЭМИ много больше поперечных размеров неоднородностей (щелей) экрана. Однако в частотном спектре СК ЭМИ есть частоты с длинами волн соизмеримыми с поперечными размерами неоднородностей ряда экранов.

На основе результатов анализа состояния проблемы оценки устойчивости БЦВК к воздействию СКИ ЭМИ можно констатировать, что существующие методы априорной оценки устойчивости к воздействию СК ЭМИ носят общий постановочный характер или позволяют провести в лучшем случае только ориентировочные оценки.

Проведенный анализ методов экспериментальной оценки показал, что определенные достижения в области воспроизведения параметров СК ЭМИ имеются, особенно в части разработки излучателей и измерительных преобразователей, однако, научно-методический аппарат для проведения испытаний на устойчивость БЦВК в субнаносекундной области практически отсутствуют. Тре-

бования к БЦВК по стойкости к ЭМП наносекундиого диапазона не задавались и реальные образцы БЦВК не подвергались воздействию СКИ ЭМП. Поэтому, информация по экспериментальным исследованиям критериев поражения БЦВК, эффектов и физических механизмов поражающего действия преднамеренных СКИ ЭМП на функционирование БЦВК в открытой литературе отсутствует.

Таким образом, анализ состояния означенной проблемы показывает, что, несмотря на достигнутые результаты в исследованиях устойчивости структурно-сложных систем к СКИ ЭМИ, эта большая комплексная научно-техническая проблема, требующая пересмотра традиционных подходов к обеспечению их устойчивости к воздействию СК ЭМИ на основе разработки новой методологии оценки данного воздействия, позволяющей проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия на БЦВК и его элементы. Эта проблема является в настоящее время особенно актуальной, еще и потому, что ее решение естественным образом вписывается в современные тенденции развития науки и техники и позволяет обеспечить снижение деструктивного влияния СК ЭМИ и тем самым повысить эффективность функционирования существующих и вновь разрабатываемых перспективных и специальных БЦВК.

Во второй главе диссертационного исследования предлагается структура интеллектуальной системы анализа устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ. Проведенный анализ открытых источников по использованию интеллектуальных средств для решения задач оценки устойчивости элементов и узлов бортовых вычислительных комплексов к деструктивному действию ЭМИ, в том числе, посвященных применению адаптивных систем обнаружения деструктивных воздействий различной природы на радиоэлектронное и телекоммуникационное оборудование, показал, что в настоящее время используются следующие инструменты интеллектуального анализа данных: экспертные системы (ЭС), нейронные сети (НС), системы нечеткой логики (НЛ) и гибридные интеллектуальные системы с интеграцией вышеуказанных подходов.

При формализации проблемы исследования предлагается следующее представление интеллектуальной системы анализа устойчивости (ИСАУ) БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ (рисунок 1).

При этом ИСАУ осуществляет анализ и оценку устойчивости бортового вычислительного комплекса к деструктивному воздействию ЭМИ как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации. Для чего используется подход, который основывается на анализе модели БЦВК, при построении которой в качестве базы принимается набор спецификаций, описывающих конфигурацию бортовой сети (топологию, состав программного обеспечения и аппаратных средств) и реализуемые в ней аппаратные и программные средства обнаруже-

ния деструктивных воздействий.

В процессе функционирования ИСАУ проводит анализ сценариев поведения бортового комплекса при воздействии на его элементы и узлы ЭМВ, с учетом моделей ЭМИ на всем диапазоне частот, осуществляет расчет целевых показателей, характеризующих устойчивость БЦВК в целом и его отдельных подсистем к воздействию ЭМИ, на основе топологии бортовой сети, используемых аппаратных средств и программного обеспечения, в т.ч. обеспечивающих обнаружение деструктивных электромагнитных воздействий.

Модели ЭМИ ВеМЕЙЕШЙ

Тробооанкя

БД

уязви мо стей

Анализируемая БЦВК

И ¡а« 111 в? » 5 а

1 ? ¡\ I

§11

ш III Система обнаружения

деструктивных ЭМВ

£ Iй

5 | " г а

Сценарии ЭМИ воздействии

«Уэ»ие» места

Уровень стойкости

I

Множество показателей

устойчивости

2

ш ш

Обновление спецификаций

Реализация рекомендаций на

Рисунок 1 - Структурная схема интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ

В научном плане проблема диссертационного исследования может быть формализована как: разработка методологии анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ на этапах проектирования и эксплуатации. Реализация данной методологии позволит не только оценивать уровень устойчивости бортового вычислительного комплекса к деструктивному воздействию ЭМИ, но и обеспечивать устойчивость БЦВК путем применения комплекса методов и средств, например, путем изменения конфигурации бортовой сети.

Предложена математическая формализация проблемы синтеза ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ. Для этого введены следующие обозначения: й - комплекс мер, формируемых системой анализа устойчивости и направленных на повышение устойчивости бортового комплекса (ОЬБС) к воздействию ЭМИ. Тогда ОЬОС0- конфигурация БЦВК с реализованным в нем

комплексом мер С, &аЬШ1у1^>е1 (ОЬОС0) _ фуНКЦИЯ^ результатом которой явля-

15

ется обеспечение устойчивости БЦВК ObDC к деструктивным воздействиям ЭМИ.

В этом случае целевой функцией будет обеспечение максимального общего уровня устойчивости БЦВК StabilityLevel{ObDCc) ire« при выполне. нии ограничений по остальным критериям, предъявляемым к ИСАУ:

РсМ<Таоп)>Рса°п рдоп = о 99

- к своевременности: ' , где св и допустимом

j*ДОП _ J.TP

времени проведения анализа "р ;

Nc > max jV^ Ny > maxNy Nn > maxNsn

- к обоснованности: l€-v , s-s и , где:

Nc, Ny, Nn - количество анализируемых сценариев поведения БЦВК при воздействии на его элементы и узлы ЭМИ, число обнаруженных ИСАУ уязвимостей и количество учитываемых параметров ИСАУ, S - множество вариантов реализа-

Ns Ns Ns

ции конфигурации бортового комплекса, с, у, " - количество анализируемых сценариев воздействий ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, обнаруженных уязвимостей и учитываемых параметров 5-й реализацией соответственно;

ЯЕС (г < Ядоп) > Ppfca рлоп = о 99

- к ресурсопотреблению: \ ' ^ , где гес • ,

Raon =0.15 (15% от общего ресурса, доступного для выполнения, возложенных на бортовой комплекс, задач) для критических ресурсов БЦВК.

Методологическую систему анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ на этапах проектирования и эксплуатации можно представить следующим образом:

MetAoy = МПаоу^(Мас,Мзшв,Мфсв,Моус), ^

где - комплекс методов по реализации основных этапов методологии и

интеграции отдельных моделей и методов анализа и оценки устойчивости

БЦВК в методологическую систему, - модель анализируемого БЦВК,

мэмив _ множество моделей ЭМИ воздействий на элементы и узлы БЦВК, МфСВ

- модель формирования сценариев ЭМИ воздействий, М°ус - модель оценки уровня устойчивости бортового комплекса.

Исходными данными для реализации основных этапов методологии анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ будут: (,SDC,SPC,EDB,P3tm,PAy,R), (2)

где SDC - спецификация анализируемой БЦВК, _ спецификация реализуемой в сети мер и средств обеспечения устойчивости, EDB - внешняя база

Р

данных ЭМИ воздействии, эми - множество параметров, характеризующих

р

ЭМИ воздействия, лу - множество параметров, характеризующих процесс

анализа устойчивости, К - требования к уровню стойкости БЦВК.

В процессе функционирования интеллектуальная система анализа и оценки устойчивости БЦВК должна реализовывать комплекс мер, позволяющий максимально возможно повысить устойчивость БЦВК. Таким образом, ИСАУ должна позволять определять множество

(3)

при условии ЯаЬШ(у1еуе1 (ОЪВС(;) -> тах ^ где ОЬОСс - конфигурация бортового комплекса с реализованным в нем комплексом мер й, V - множество обнаруженных уязвимостей, ^С _ сценарии ЭМИ воздействий, с - «узкие» места по электромагнитной защищенности бортового комплекса, ^ - множество показателей устойчивости.

Ядром интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ является система обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий (ЭМВ), на которую возлагаются функции интеллектуального анализа сценариев электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК и оценки уровня устойчивости бортового комплекса к деструктивному воздействию ЭМИ. На выходе этого модуля ИСАУ будем иметь множество обнаруженных уязвимостей БЦВК, сценарии поведения БЦВК при ЭМИ воздействиях на его элементы, наиболее критичные компоненты бортовой сети, вероятность выхода из строя которых наивысшая, и комплекс мер по обеспечению устойчивости бортового вычислительного комплекса.

Представленное функциональное наполнение системы обнаружения деструктивных ЭМВ позволяет сформулировать основную задачу этого модуля ИСАУ, которая состоит в автоматизации функций по обеспечению устойчивости БЦВК. Анализ характеристик современных методов обнаружения электромагнитных воздействий показал, что наиболее перспективным подходом к обнаружению деструктивных электромагнитных воздействий на БЦВК является совершенствование методов интеллектуального анализа данных БЦВК.

Показано, что все методы интеллектуального анализа данных могут быть интегрированы в рамках единой методологии для обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК, не вступая в противоречие с традиционными сферами использования экспертных систем, нейронных сетей, систем нечеткой логики и т.п.

В этой же главе также представлен аналитический обзор инструментов интеллектуального анализа данных, таких как: экспертные системы, нейронные сети, системы нечеткой логики и гибридные интеллектуальные системы для решения задач обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК. Определены сильные и слабые стороны каждого из

17

подходов и сформулированы практические рекомендации по интеграции вышеуказанных подходов в рамках единой методологии.

Показано, что включение нечеткой логики в состав нейросетевых средств обнаружения деструктивных воздействий позволяет учитывать априорный опыт экспертов, реализовать присущее нейронным сетям нечеткое представление информации, извлекать знания из входных неполных и не вполне достоверных данных.

Предложено при разработке адаптивных средств обнаружения деструктивных ЭМВ на БЦВК использовать такие свойства нейронных сетей, как: возможность классификации признаков воздействий, представление системой нечетких продукционных правил, адаптивность НС и системы нечетких продукционных правил, «прозрачность» для анализа системы нечетких продукционных правил и структуры межнейронных связей нечетких нейронных сетей.

Предложено для предэксплуатационного обучения нечетких нейронных сетей использовать механизм нечеткого логического вывода, позволяющий представить опыт экспертов в виде системы нечетких продукционных правил. Последующее обучение нечеткой НС позволяет устранить противоречивость системы нечетких продукционных правил и провести анализ процесса логического вывода для коррекции системы нечетких продукционных правил адаптивных средств обнаружения деструктивных ЭМВ на БЦВК.

Показана необходимость разработки модели нейросетевой системы обнаружения деструктивных ЭМВ на БЦВК.

В третьей главе проводится адаптация моделей воздействия ЭМИ на различные подсистемы БЦВК для их использования в структуре ИСАУ и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.

Анализ существующих подходов к оценке воздействия ЭМИ на подсистемы современных БЦВК показал необходимость разработки новых расчетных моделей оценки воздействия ЭМИ на элементы и узлы БЦВК с возможностью их интеграции в рамках единого комплекса, позволяющего проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ на БЦВК.

Для формирования модели, прежде всего, рассматривается структура и характеристики современных БЦВК. Отмечается, что развитие БЦВК характеризуется постоянным повышением сложности решаемых задач. Кроме традиционных задач, реализуемых БЦВК с универсальной архитектурой, должны решаться задачи, которые требуют повышенной надежности (задачи управления двигательной установкой, системой энергоснабжения и т.д.), а также задачи, которые требуют повышенного быстродействия (обработки сигналов и изображений) и задачи с нечеткой формализацией исходных данных, в частности

задачи распознавания, распределения ресурсов, задачи нечеткого управления, которые могут решаться с использованием методов искусственного интеллекта.

В главе также приводится организация систем информационного обмена и требования к стойкости каналов передачи данных современных БЦВК. При выборе бортовой сетевой магистрали, которая рассчитана на эксплуатацию в «жестких» условиях реального времени, необходимо принимать во внимание особые требования к ее функциональным характеристикам.

Для исследования выбраны БЦВК, предназначенные для использования в составе подвижных автоматизированных вычислительных комплексов, имеющие следующие модификации - унифицированный отказоустойчивый вычислитель (УОВ), сервер с оптическим коммутатором (Сервер), Устройство Управления (УУ). УОВ и Сервер предназначены для построения высокопроизводительных кластерных вычислителей. УУ предназначен для ввода-вывода информации в специальные внешние устройства, а также для визуализации графической и текстовой информации. УОВ предназначен для приема входных потоков информации по каналам Gigabit Ethernet 1000Base-LX, обработки их на 3-х высокопроизводительных процессорных модулях и передачи результатов в вычислительные средства автоматизированного комплекса. Сервер предназначен для организации вычислительных процессов в комплексе посредством резервируемого оптического коммутатора, входящего в его состав.

В состав БЦВК входит Модуль конвертера среды передачи Gigabit Ethernet. Структурная схема модуля приведена на рисунке 2. Модуль коммутатора на базе технологии Gigabit Ethernet (GE) (далее коммутатор) предназначен для коммутации пакетов данных и организации бортовых информационных сетей гигабитной производительности (рисунок 3).

Результаты проведенного аналитического исследования позволили сделать вывод, что на данный момент наиболее распространенной технологией на уровне доступа в бортовых сетях является Gigabit Ethernet и следующие кабельные спецификации: 100Base-TX; 1000Base-T; 1000Base-LX. Среда передачи, в большинстве случаев, это неэкранированная витая пара категорий 5е и 6. Что требует разработки математической модели воздействия деструктивных ЭМИ на каналы передачи данных и управления БЦВК на основе технологии Ethernet. Эти каналы обеспечивают требуемые характеристики и необходимую динамическую модификацию архитектуры БЦВК в целом при воздействии деструктивных ЭМИ. Поэтому для исследования были выбраны механизмы искажения данных в сетях Ethernet, которые функционируют по кабельным линиям связи вследствие формирования периодически повторяющихся импульсных помех при воздействии СК ЭМИ.

5 В

Генератор частоты 25 МГц

88ЕП12 Интегрированный приемопередатчик Gigabit Ethernet

Интерфейс 1000Base-T MAC Интерфейс SERDES

Вторичный источник питания

88Е1112 Интегрированный приемопередатчик Gigabit Ethernet

MAC Интерфейс SERDES Интерфейс 1000Base-X

Трансформатор

Gigabit Ethernet lOOOBase-T

Оптический

приемопередатчик

Gigabit Ethernet lOOOBase-LX

Рисунок 2 - Структурная схема модуля конвертера среды передачи Gigabit Ethernet

Генератор Частоты 25 МГц

Вторичный источник питания

Цепь обнуления

ППЗУ

"1 т

2,5 В

Т ▼ ▼

3,3 В 1,2 В 1,5 В

Модуль управления

Микросхема 88Е6185

10-портовый коммутатор Gigabit Ethernet

IP"

nj

Микросхема 88E1112 одноканальный приемопередатчик

Микросхема

88Е1112 оцн о канальный приемопередатчик

Микросхема 88Е1112 одноканальный приемопередатчик

Микросхема 88ЕП12 одноканальный приемопередатчик

Микросхема 88Е1112 одно к анальный приемопередатчик

▲ жг

Is 8 8 M

т г -

трансфор- трансфор- трансфор- трансфор-

матор матор матор матор

Микросхема 88Е1112

одноканальный приемопередатчик

Микросхема 88Е1112 одноканальный приемопередатчик^

Оптический

приемопередатчик

Оптический

приемопередатчик

Оптический

приемопередатчик

Оптический

приемопередатчик

Оптический

приемопередатчик

3 с

3 с

: с.

Оптический

приемопередатчик^

X (-4

Gigabit Ethernet 1000Base-T

Рисунок 3 - Структурная схема модуля коммутатора Gigabit Ethernet

Получена и адаптирована под использование в ИСАУ математическая модель, связывающая параметры периодически повторяющейся импульсной помехи с вероятностью потери кадра для рассмотренных спецификаций Gigabit

Ethernet. В работе рассматривается обобщение расчетного аппарата для различных методов кодирования, используемых в современных - высокоскоростных сетях Gigabit Ethernet.

Вероятность, что подверженный воздействию бит информации будет воспринят правильно, равна Q=\ -Ре, а вероятность неправильной передачи кадра данных в результате единичного сбоя будет равна:

loss

1-1-PJV.

ng

(4)

где Ре ~ вероятность единичного сбоя; т - число символов в кадре, подвергаемых воздействию помехи.

На канальном уровне согласно спецификации 1ЕЕЕо802.3аЬ искажение, хотя бы одного символа служебных полей или поля данных ведет к отбрасыванию кадра. Вероятность единичного сбоя Ре для спецификации ЮООВаБе-Т:

Ре= 0,2

4 -erf

1,75 V2F

-erf

0,75 •JlV.

-erf

0,25 V2K

Подставляя полученные значения в (4), получаем

loss

= 1-

1 + erf

1,75

+erf

1,25

+erf

— ">75

-erf

-erf

f \\ 1,25

V2K

(5)

0.25

(6)

Разработана математическая модель потерь кадров в каналах передачи данных современных БЦВК на основе технологий Fast, Gigabit Ethernet при воздействии периодических импульсных помех, позволяющая проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ на БЦВК.

В этой же главе представлена математическая модель взаимодействия СК ЭМИ с универсальными вычислителями контура управления БЦВК. В качестве объекта исследования использовалась БЦВМ. В современных микропроцессорных устройствах БЦВК системная плата базового вычислителя выполнена на базе процессорного модуля на печатной плате. При этом проводники, которые напечатаны на плате, становятся источниками излучения электромагнитных полей. При построении математической модели взаимодействия электромагнитного поля с печатным монтажом микропроцессорных бортовых устройств, расчет токов и напряжений, наведенных на проводящий объект, осуществляется с использованием интегрального уравнения электрического поля в частотном представлении. При этом, сначала вычисляются токи на частотах, а временная форма импульсов тока находится обратным преобра-

зованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.

Интегральное уравнение электрического поля представляется в виде: {¡соа[Г)+ Уф(г));1п = Ет -

где ('")-касательная к 5 составляющая падающего электрического поля.

Для печатных проводников на системной плате вычислителя БЦВМ уравнение (7) решается методом моментов с использованием «тонкопроволочного формализма».

Как показали модельные эксперименты эффективность воздействия СК ЭМИ в значительной степени определяется их широкополосностью, которая обеспечивает воздействие электромагнитного излучения на печатные проводники вычислителей БЦВК с включением различных механизмов взаимодействия. Эффективность воздействия определяется как отношение энергий:

/ ^г„„,(/<£>)2 с/еа

-:-•

I и^у <*«>

(8)

где - спектр выходной функции; . спектр воздействия.

Анализ проведенных модельных экспериментов показал, что СШП импульсы обладают высокой эффективностью воздействия на печатные проводники системных плат БЦВМ. Таким образом, опасность воздействия СШП ЭМИ для микропроцессорных управляющих устройств БЦВК определяется не только амплитудой, фронтом импульса и энергией, но и эффективностью его воздействия по энергии и напряжению.

Результаты проведенных тестовых расчетов доказывают корректность и адекватность разработанных математических моделей взаимодействия СК ЭМИ с микропроцессорными управляющими устройствами БЦВК и бортовой кабельной сетью.

В четвертой главе рассматривается критериально-математический аппарат построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивным ЭМ воздействиям, включающий в себя уровень формирования признаков деструктивных воздействий на элементы и узлы БЦВК, уровень идентификации деструктивных воздействий на БЦВК, уровень обобщения и накопления опыта обнаружения таких деструктивных воздействий. Адаптивный характер уровней системы анализа и оценки устойчивости обусловлен использованием интеллектуальных средств нечеткой логики и нейронных сетей для решения задач классификации и кластеризации деструктивных ЭМ воздействий по их признакам, формируемых датчиками электромагнитных воздействий (ДЭМВ).

Возможность адаптации к изменениям условий работы и новым угрозам электромагнитного воздействия рассматривается как одно из наиболее важных свойств интеллектуальной системы, позволяющей корректировать работу БЦВК при изменении входной информации и внешнего окружения. Обучающим фактором являются избыточность входной информации и скрытые в данных закономерности, видоизменяющие информационное поле (ИП) нейронной сети в процессе адаптации системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.

В главе представлены основные этапы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивным ЭМ воздействиям:

1. Решение задачи классификации уже известных ЭМ воздействий на элементы и узлы БЦВК по вектору признаков таких воздействий.

2. Решение задачи кластеризации деструктивных ЭМ воздействий на БЦВК по признакам таких воздействий как саморазвитие классификации при расширении множества известных ЭМ воздействий.

3. Формирование экспертных оценок для определения степени соответствия ЭМ обстановки признакам деструктивного ЭМ воздействия.

4. Представление результатов решения задач п.1 и 3, полученных в процессе нечеткого логического вывода классификационных заключений по не четким посылкам (соотношения «признаки ЭМВ - деструктивное ЭМ воздействие на БЦВК»), в виде систем нечетких продукционных правил.

5. Реализацию систем нечетких продукционных правил в виде специализированных структур - нейро-нечетких классификаторов (классификаторов «признаки ЭМВ - деструктивное ЭМ воздействие на БЦВК»),

6. Реализацию результатов решения задачи п.2 в виде четких кластери-заторов на основе самообучающейся адаптивной системы (кластеризаторов «признаки ЭМВ - деструктивное ЭМ воздействие на БЦВК»),

7. Обучение классификаторов по п.5, 6 на обучающей выборке - подмножестве входных векторов (векторов признаков ЭМВ) с целью формирования информационных полей четких и нейро-нечетких сетей.

8. Адаптацию в процессе эксплуатации БЦВК информационных полей четких и нейро-нечетких сетей (классификаторов и кластеризаторов «признаки ЭМВ - деструктивное ЭМ воздействие на БЦВК»),

9. Коррекцию адаптируемых экспертных оценок (п. 3) и систем нечетких продукционных правил (п. 4) по результатам адаптации.

10. Формулирование новых нечетких продукционных правил в случае расширения классификации (кластеризации) по результатам выполнения п.8 и 9.

11. Формирование оценок устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ, исходя из результатов выполнения п.9 и распределения дат-

23

чинов ЭМВ по иерархии ИСАУ.

Шаги по п. 9-11 повторяются в процессе эксплуатации ИСАУ с целью постоянного обновления базы знаний СОДЭМВ и накопления опыта по обнаружению деструктивных ЭМВ.

Выполнение данных этапов позволяет:

а) формировать матрицы адаптируемых экспертных оценок и с их учетом - исходные системы нечетких продукционных правил и структуры ней-ро-нечетких классификаторов (классификаторов «признаки ЭМВ - деструктивное ЭМ воздействие на БЦВК»);

б) идентифицировать известные деструктивные ЭМ воздействия, а при расширении множества известных ЭМ воздействий - решать задачу кластеризации таких воздействий с последующей адаптацией информационных полей нейронной сети системы обнаружения деструктивных ЭМВ на БЦВК;

в) решать задачу кластеризации деструктивных ЭМ воздействий вследствие изменения множества известных ЭМ воздействий на элементы и узлы БЦВК, соответственно корректировать или расширять системы нечетких продукционных правил СОДЭМВ;

г) модифицировать системы нечетких продукционных правил и матрицы экспертных оценок по результатам обучения и последующего анализа классификаторов СОДЭМВ при расширении множества известных деструктивных ЭМ воздействий на БЦВК;

Важной для ИСАУ особенностью нейро-нечетких сетей является способность автоматически генерировать систему нечетких продукционных правил в процессе обучения, извлекая скрытые закономерности из данных входной обучающей выборки. При отсутствии априорного опыта, но при достаточном объеме обучающей выборки нечеткая НС преобразует скрытые во входных данных закономерности в систему правил нечеткого логического вывода.

В этой же главе представлены критерии оценки ЭМ воздействия. На практике применение того или иного критерия определяется требованиями к качеству функционирования БЦВК в целом, например: возможность устойчивого функционирования в реальном масштабе времени, гарантиро-ванность доступа к информации и т.д. Следовательно, для формализации процедуры функционирования СОДЭМВ по решению задачи определения уязвимости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ, необходимо определить зависимость параметров сигнала на входе потенциально уязвимого элемента БЦВК от параметров воздействующего ЭМИ.

Результаты экспертных оценок, а также последующего обучения нейро-нечетких сетей представляются в виде матрицы достоверности «ЭМВ - датчики ЭМВ» МЕ

Л/£ „ =

те.

те7

те.

те,

'тп У

где от - число датчиков ЭМ воздействий; п - число уровней СОДЭМВ.

Сопоставление интегральных показателей в пределах строки позволяет выявить наиболее задействованные уровни СОДЭМВ по обнаружению известных ЭМВ на БЦВК. Аналогично, если матрицу МЕ анализировать в разрезе датчиков ЭМВ и каждую строку матрицы рассматривать в качестве вектора активности отдельного ДЭМВ, то элементам столбца интегральных показателей значимости датчиков ЭМВ можно поставить в соответствие длину вектора активности одноименного датчика ЭМВ в СОДЭМВ

х, = =!,...,т.

Ь* (9)

Сопоставление интегральных показателей в пределах столбца позволяет выявить наиболее задействованные датчики ЭМВ в СОДЭМВ.

При этом, информация в ИСАУ может храниться и передаваться в виде распределенных информационных полей (ИП) нейронной сети: поля идентификации известных ЭМВ классификатора нижнего уровня СОДЭМВ и поля накопления опыта классификатора верхнего уровня СОДЭМВ. Процесс адаптации ИП идентификации известных ЭМВ связан решением задач классификации ЭМВ по их признакам, приводящих к коррекции ИП идентификации известных ЭМВ на нижнем уровне иерархии СОДЭМВ. Процесс адаптации ИП накопления опыта связан с решением задач кластеризации ЭМВ по совокупному вектору их признаков, формируемому статистической, сигнатурной и адаптивной СОДЭМВ.

В процессе обучения классификаторов изменяются информационные поля иерархии уровней СОДЭМВ, адекватно видоизменяются системы нечетких продукционных правил и адаптируемые матрицы экспертных оценок.

В процессе работы СОДЭМВ происходит накопление опыта по обнаружению деструктивных ЭМВ за счет адаптации информационных полей нейронных и нейро-нечетких сетей, систем нечетких продукционных правил, матриц экспертных оценок.

В этой же главе представлена методика оценки стойкости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ и сценарии работы СОДЭМВ по обнаружению воздействия на БЦВК деструктивных ЭМИ.

Рассматриваются следующие сценарии работы СОДЭМВ по обнаружению воздействия на БЦВК деструктивных ЭМИ:

1) на основе метода анализа параметров искажений информационного потока в условиях воздействия ЭМИ;

2) на основе метода анализа информации датчиков обнаружения ЭМВ.

Сценарий работы СОДЭМВ на основе метода анализа параметров

искажений информационного потока базируется на анализе информационного потока, обрабатываемого инфокоммуникационными узлами БЦВК и выявлении закономерности появления искаженных пакетов информации. Из канала связи на вход БЦВК поступает последовательность сигналов, которая некоторым образом преобразуется и подается на вход СОДЭМВ, где осуществляется её анализ. Если входные данные вследствие воздействия ЭМИ на канал связи будут искажены и не будут соответствовать требованиям по уровню или форме сигнала, которые задаются применяемыми в БЦВК телекоммуникационным протоколом, то данные на выходе БЦВК, также не будут соответствовать требованиям телекоммуникационного протокола.

Таким образом, появляется возможность определения наличия воздействия ЭМИ на линию связи, основанного на проведении сравнительного анализа соответствия данных, поступающих на шину обмена данными БЦВК, требованиям используемого телекоммуникационного протокола.

Кроме рассмотренного подхода по обнаружению воздействия на БЦВК деструктивных ЭМИ предлагается использовать датчики ЭМВ. При фиксации факта воздействия ЭМИ датчиками, от них в СОДЭМВ передается сигнал о регистрации факта воздействия ЭМИ на элементы бортовой сети. При поступлении данного сигнала СОДЭМВ вырабатывает команды управления, поступающие по линиям связи на системную шину обмена данных БЦВМ, коммутаторов и других элементов БЦВК. При этом поступающие команды управления учитывают особенности функционирования всех устройств, входящих в состав БЦВК, а также особенности и характер сбоев в их работе.

Показана процедура разделения трафика, реализуемая одним из режимов ИСАУ БЦВК при воздействии деструктивных ЭМИ. Основной идеей является разнесение передачи по нескольким физическим каналам отдельных частей передаваемых данных таким образом, чтобы сложность разрушения данных была максимальной. Характерной особенностью процедуры является то, что она, является полностью привязанной к свойствам среды передачи и топологии бортовой сетевой структуры, полагаясь на наличие структурной избыточности, которая особенно свойственна для бортовых сетей Ethernet. Реализация данного подхода заключается в установке на узлах БЦВК приложения «сервис маршрутизации», корректирующего работу протоколов маршрутизации. SM -

приложение, позволяющее передавать данные специфичным маршрутом:

SM= {SMS , SMC}, (10)

где SMC - управляемый компонент SM, который устанавливается на оконечном оборудовании и предоставляет функцию для инициализации процесса передачи информации с помощью сервиса маршрутизации; SMS - управляющий компонент SM, который устанавливается на БЦВМ в защищенном исполнении и осуществляет динамическую маршрутизацию информации, поступающей на эту БЦВМ:

SMS = {Fs, FsflocT, М,/}. (11)

где Fs ={Fsl, Fs2, ... , FsF} - множество БЦВМ бортовой сети, выполненных в защищенном исполнении; FsflocT = {Fs^oct, Fs2aoct,..., РэРдост} - множество, описывающее количество доступных БЦВМ в защищенном исполнении; М = {Ml, М2,..., MF) - множество матриц маршрутизации.

Предлагаемая методика представлена на рисунке 4 в виде IDEF3 диаграммы. На основе разработанной методики формализован алгоритм динамической маршрутизации информации в бортовых сетях.

Итоговый маршрут трафика от источника до получателя при использовании SM и /БЦВМ в защищенном исполнении из F, находящихся в бортовой сети, с учетом, что в разные моменты времени каждая из БЦВМ в защищенном исполнении может быть как доступна, так недоступна, будет выбран с вероятностью:

/

pj=H

1=0

F-i-1

рдост ■ . У Si

F-i

дост

^Si

,Ц су; "'i F-i

(12)

На основе данной процедуры реализован «сервис маршрутизации» передачи данных для бортовой сети. Выработаны основные компоненты, необходимые для устойчивого функционирования ИСАУ БЦВК. Даны оценки вероятностям ЭМВ на передаваемую информацию в случае применения «сервиса маршрутизации».

иБЕОАТ: AUTHOR : DATE: WORKING READER OATE CONTEXT

PROJECT: REV: DRAFT

RECOMMENDED

NOTES PUBLICATION A-0

Методу

Выбор БЦВМ настройка Бт

Оборудование Каналы связи

Список

щем

—\ Параметры

Таблицы маршрутизации

Выбор параметров передачи

Пакеты инструкций

Приложение

"марщрутиэируемый сервис"

Алгоритм

динамической

маршрутизации

Протоколы маршрутизации

Передача на основе алг динамической маршрутизации

БД Алгоритм

БЦВМ генерации потока атак ЭМИ

Таблицы маршрутиаации

Буферизация и хранение из БЦВМ в ЗИ

Контр, участки

Построение графов,

расчет оценок реализация атак ЭМИ

Графы Оценки

Рисунок 4 - Методика защиты информации в бортовых сетях при воздействии деструктивных ЭМИ (представление ГОЕРЗ)

В пятой главе рассмотрены вопросы реализации и инструментальные средства для моделирования ИСАУ БЦВК к деструктивному действию ЭМИ.

Основным элементом модели ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ является методика обнаружения деструктивных ЭМВ и оптимизации СОДЭМВ, которая координирует взаимосвязь адаптивных уровней (в виде нейронных сетей, нейро-нечетких сетей, систем нечетких продукционных правил), структурной модели СОДЭМВ, инструментальных средств расчета показателей устойчивости и рейтинга устойчивости БЦВК (рисунок 5).

Описание интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ на языке графического описания объектов предлагается на основе одной из стандартных топологий, которая содержит в качестве исполнительных элементов либо формальные нейроны, либо слой из формальных нейронов. Соответственно, программы потоков данных представляются в функционально завершенной совокупности командных пакетов (КП), размещаемых в командных ячейках пула команд. Показано, что в качестве языковых программных средств описания нейросетевых систем целесообразно использовать язык пакетных нейросетевых программ (ПНП). В этом случае НС представляется в виде совокупности взаимосвязанных командных пакетов - ПНП, которая помещается в командных пулах.

Требования к системе

Модели ЭМИ воздействий

База данных ЭМИ воздействий

И нфокоммукикашюнная система_

С О

Модуль упраьлекия

База з камей экспертов по ЭМС

Статистическая СОДЭМВ

Сигнатурная СОДЗМВ

Нейроне четкая НС

Система правил

Экспертные оивнки

Модуль выявления ЭМВ

Нейро-нечеткая НС

Система ке четких правил

ПЕ

Экспертные оценки ЭМВ

Сценарии ЭМИ воздействий

Модуль реагирования

Интеллектуальная

. J оцекгеи устойчивости ИКС к воздействию ЭМВ ■

Рисунок 5 - Блок-схема способа интеллектуального анализа оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМВ

Предложено использовать многофункциональный командный пул, эффективность которого обуславливается совмещением во времени процессов передачи, хранения и обработки информации. Рост функциональной устойчивости нейросетевой си-стемы происходит посредством замыкания большей части информационного потока в пределах многофункционального пула, а повышение производительности связано с минимизацией пересылок информации через интерфейсы.

Для многофункционального пула операции передачи ПД по интерфейсу

п1-\п,1с совмещены с процессом обработки - +, отсутствует необходимость формирования и передачи КП через интерфейс в зону обработки, следовательно, общие затраты времени снижаются

к-1

М (13)

Проведен анализ возможных архитектурных решений нейросетевых структур. Для реализации ИСАУ БЦВК разработаны архитектурные решения командных пулов, адаптивная модель ИСАУ БЦВК и инструментальные средства ее реализации. Показано, что объединение функций хранения и обработки информации в многофункциональных пулах упрощает их структуру за счет ис-

ключения части коммуникационных цепей, предназначенной для передачи готовых к обработке командных пакетов от локальных пулов команд к процессорным узлам, и снижает загрузку интерфейса (рисунок 6).

Предложены схемы программной реализации различных режимов функционирования ИСАУ БЦВК, в частности режима разделения трафика (рисунок 7).

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям воздействия СК ЭМИ на БЦВК, включая БЦВМ и каналы передачи данных и управления, которые занимают особое место в системах управления и контроля всего используемого оборудования на борту. Сегодня они все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к ЭМИ. Именно поэтому они на уровне доступа являются наиболее вероятным объектом ЭМВ.

1пВИ5 _

Ф -

Adr -Date-Ctrl -

Ц DQ

3Z

DC

Ж

Cnt

OutBus

Е

MS

XV

WM

Sum

Ж

—р

PN

ЧГ

та

-)|Sum

Sum

-t^f

ГЕк

3

tj RQ

3Z

ж

ж

Рисунок 6 - Адаптивная система, размещенная в командном пуле

Изделия предназначены для использования в составе подвижных автоматизированных вычислительных комплексах, состоящих из унифицированных вычислителей, объединенных высокопроизводительной оптической средой передачи информации в соответствии со стандартом IEEE Std 802.3 1000Base-LX.

Для экспериментального исследования выбран опытный образец БЦВМ, как наиболее критичный к воздействию СК ЭМИ в составе: унифицированный отказоустойчивый вычислитель (УОВ) ЕА2180; сервер ЕА 2180.01; устройство управления ЕА2180.02 (УУ).

Испытания проводились согласно «Программа и методика испытаний блока БЦВМ (УОВ) на устойчивость к воздействию СК ЭМИ» с целью:

- оценки адекватности разработанных моделей взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального

анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ;

- определения функционирования унифицированного отказоустойчивого вычислителя ЕА2180 при воздействии СК ЭМИ;

- определения критических параметров СКИ ЭМП, приводящих к нарушениям в работе УОВ.

Рисунок 7 - Блок-схема программного комплекса режима разделения трафика

Испытания проводились в испытательном зале ФГУП «ВНИИОФИ» в нормальных климатических условиях с использованием аттестованных моделирующих установок и специальных устройств. Параметры испытательных импульсов поля, виды испытаний, степени жёсткости воздействий, методы и средства испытаний, критерии оценки устойчивости БЦВМ соответствовали требованиям международных и национальных стандартов по СКИ ЭМП: для электромагнитных полей - не более ±20%; для тока и напряжения - не более ±30%.

Исходя из современных технических возможностей и проведенного анализа, определены требования к метрологическим характеристикам излучателей для испытаний БЦВК на устойчивость к воздействию сверхкоротких ЭМИ:

- напряженность электрического поля в рабочей зоне - 1-100 кВ/м;

- длительность импульса по уровню 0,5 от амплитуды - 100 пс - 25нс;

- длительность фронта импульса по уровням 0,1-0,9 от амплитуды -100-500 пс;

- частота повторения от однократных от 1 кГц до 1МГц.

Испытания проводились по схеме приведенной на рисунок 8.

Лнтснно-фидсрная

система АФС-200

унифицированный отказоустойчивый вычислитель (УОВ)

Безэховая камера

Рисунок 8 - Схема проведения эксперимента

а) б)

Рисунок 9 - Расположение излучающей установки в безэховой камере (а) и расположение экранированных стенок, для регулировки мощности излучения (б)

Для установки начального уровня напряженности поля 10 кВ/м, воздействующего на объект, излучающую установку расположили на расстоянии 11=3,8 м относительно испытываемого блока. Для обеспечения требуемой напряженности излучения, экранированные стенки расположили относительно друг друга на расстоянии 13 см. При увеличении размера зазора между экранированными стенками на уровне 67,5 кВ/м происходит отказ устройств ввода-вывода (рисунок 9).

В результате экспериментальных исследований УОВ в условиях воздей-

ствия СКИ ЭМП установлено, что УОВ нормально функционирует по заданному в ГОСТе критерию устойчивости при напряженности электрического поля от 1 до 30 кВ/м, частоте следования импульсов 1кГц.

С целью оценки предельных уровней устойчивости функционирования проводились экспериментальные исследования УОВ с подключенными кабельными линиями на повышенных уровнях воздействия СКИ ЭМП до наступления сбоев в работе изделия. При этом установлено, что в УОВ возникли устойчивые сбои, как во время тестирования системы, так и в рабочем режиме при воздействии электрического поля напряженностью более 200 кВ/м, частотой следования импульсов 1кГц.

В условиях дополнительного экранирования кабельных линий сохранялось норма льное функционирование при напряженности электрического поля 140,4 кВ/м, частоте следования импульсов 1кГц. Экспериментально полученный коэффициент запаса по устойчивости функционирования оценивается в диапазоне значений 2-7 в зависимости от уровня защищенности кабельных линий УОВ.

Также были проведены экспериментальные исследования на воздействие СК ЭМИ БЦВК для авиационных и космических комплексов в составе:

- БЦВМ М20 - двухканальная вычислительная машина;

- многофункциональный бортовой вычислительный комплекс БВКЕА-102.

- кабельные линии бортовой кабельной сети.

В результате исследований установлено, при воздействии однократных импульсов электрического поля с напряженностью (1-10) кВ/м и длительностью 100 пс БЦВМ с подключенными кабельными линиями не имели сбоев, отказов и нормально функционировали.

В результате исследований к воздействию СК многократных импульсов ЭМП напряженностью (0,3 - 30) кВ/м с частотой повторения 1кГц и напряженностью (0,02- 0,2) кВ/м с частотой повторения 1 МГц и длительностью импульса 270 пс установлено, что БЦВМ М20 с подключенными кабельными линиями ми не имели сбоев, отказов и нормально функционировали.

В результате исследований БЦВМ М20 с повышенными уровнями установлено, что при отключенных кабельных линиях определен уровень стойкости БЦВМ М20 и БЦВК к воздействию импульсных электрических полей: 150 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц.

С подключенными штатными кабельными линиями сбои и отказы в работе БЦВМ М20_возникали при воздействии импульсных электрических полей: напряженностью 80 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц.

Отмечено влияние поляризации поля на работу БЦВМ М20 при частоте повторения импульсов 1кГц. Сбои возникали при вертикальной поляризации

электрического поля. При горизонтальной поляризации эффектов не обнаружено.

С дополнительной экранировкой кабельных линий БЦВМ М20 и БЦВК сохраняли работоспособность при воздействии вертикальной и горизонтальной поляризации воздействующего поля: импульсных электрических полей 150 кВ/м при частоте повторения 1кГц и 2 кВ/м при частоте повторения 1МГц. Коэффициент запаса по стойкости исследованных БЦВМ при дополнительной экранировке входных кабельных линий составил величину 5.

Исследование стойкости каналов передачи данных и управления БЦВК в условиях воздействия СКИ ЭМП проводилось путем проведения косвенных испытаний бортовой сети и средств защиты на стойкость к воздействию импульсных токов и напряжений СКИ ЭМИ - посредством разряда импульсов тока в защитные экраны кабелей и токопроводящие корпуса испытываемой аппаратуры; посредством подачи импульсов напряжения в цепь «жила - защитный экран» кабеля; посредством подачи импульсов напряжения в цепь «жила - жила» кабеля или непосредственно на входы испытываемой аппаратуры.

По результатам проведенных экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

- наибольшую опасность для передаваемой информации представляют наведенные импульсные помехи, возникающие в результате емкостной инжек-ции в линию связи, это приводит к большему количеству потерянных кадров;

- большая часть энергии импульса теряется из-за несоответствий импе-дансов между источником, кабелем и нагрузкой;

- воздействие СК ЭМИ с частотой повторения импульсов до 1 МГц при амплитуде до 400 В/м оказывает деструктивное воздействие на процесс передачи данных в сетях Fast и Gigabit Ethernet. Разрушение сетевого соединения наступает при уровне СКИ-наводок на нагрузке сетевого интерфейса до 6 В при емкостной инжекции и 12 В при индуктивной инжекции и длительности поме-ховых импульсов до 200 не.

Анализ полученных экспериментальных данных и механизмов воздействия СКИ ЭМП на УОВ подтвердил адекватность разработанных моделей взаимодействия мощных ЭМИ с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, и показал, что сбои, системные отказы и нарушение функционирования возникают в основном за счет недостаточной эффективности экранирования бортовой кабельной сети БЦВК, которые в свою очередь, выявляются, как правило, при испытаниях и в процессе эксплуатации.

Для оценки эффективности функционирования ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ проведен ряд модельных экспериментов. По условиям эксперимента число используемых БЦВМ, выполненных в защищенном

исполнении, / в каждом сеансе передачи равновероятно выбиралось от одного до трех. Это означает, что до момента прибытия в пакет мог побывать на одной, двух или трех БЦВМ в защищенном исполнении.

После проведения сеансов передачи получен следующий эффект:

1) процент потерь пакетов в момент, когда БЦВМ недоступна - 15%.

2) процент искаженных пакетов - 16%.

В связи с потребностью проведения большого числа испытаний для оценки среднеквадратичного отклонения также реализован программный прототип ИСАУ БЦВК, позволяющий генерировать топологии сетей, задавать контролируемые участки и осуществлять сеансы передачи. Полученные оценки реализации ЭМ воздействий показывают, что применение ИСАУ БЦВК позволяет повысить стойкость передачи информации в бортовых сетях. Осциллограмма наведенных импульсных помех в проведенных модельных экспериментах представлена в таблице 2. Таблица 2 - Осциллограмма наведенных импульсных помех

а) передаваемые данные

б) без передачи данных по каналу 45 'rr-j 1

в) при передаче данных по каналу 45 (спецификация 1000 Base -Т) ч i

г) при передаче данных по каналу 45 и использовании «маршрутизируемого сервиса» 1 1

д) использование «маршрутизируемого сервиса» и перенаправление данных по трассе 66, 69 ~{Лг*А

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенного аналитического обзора исследований по теме диссертации, показана необходимость пересмотра традиционных подходов к обеспечению работоспособности структурно-сложных систем при воздействии на их элементы СК ЭМИ. Сформулированы предпосылки к разработке принципиально новых расчетных моделей анализа и оценки воздействия полей ЭМИ на структурно-сложные системы с возможностью их интеграции в рамках единого методологического комплекса, позволяющего проводить достоверную оценку устойчивости такого класса систем к воздействию СК ЭМИ на основе интеллектуальных методов анализа и оценки параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия СК МИ.

2. Сформулированы новые базовые принципы построения ИСАУ БЦВК на основе адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК, являющейся ядром интеллектуальной системы. При этом нижний уровень решает проблемы оперативной идентификации ЭМВ, а верхний - накопления опыта по обнаружению последствий деструктивных ЭМВ на БЦВК путем использования датчиков ЭМВ, распределенных по структуре ИСАУ.

3. Предложена впервые модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, позволяющая обеспечить возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в реальном масштабе времени.

4. Разработаны адаптивные модели взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и

36

оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, в том числе:

- модель воздействия СК ЭМИ на микропроцессорные управляющие устройства БЦВК, учитывающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их амплитуды, фронта импульса и энергии;

- модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных (на основе технологий Fast и Gigabit Ethernet) современных БЦВК при воздействии периодических импульсных помех, учитывающая длину кадра и межкадрового интервала, с целью своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока;

5. Разработаны методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ на основе использования интеллектуальных механизмов нейронных сетей, нечеткой логики и гибридных, в частности, нейро-нечетких систем, а также генетических алгоритмов и эволюционных процессов наследования, развития, адаптации и отбора, обеспечивающих возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК в реальном режиме времени.

6. Разработана система показателей и комплекс методов защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока, позволяющий, в том числе, оптимизировать соотношение «стоимость/эффективность» защиты за счет размещения на иерархических уровнях ИСАУ только необходимых датчиков ЭМВ и оценивать устойчивость БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ через величины относительного ущерба и интегральные показатели активности распределенных по структуре ИСАУ датчиков ЭМВ.

7. Разработано научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, позволяющее формировать программу проведения испытаний и критерии оценки стойкости БЦВК с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

8. Разработана новая методология, направленная на решение проблемы обеспечения устойчивости функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия СК ЭМИ, позволяющая проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ на БЦВК, включая минимизацию временных затрат на восстановление БЦВК после сбоев вызванных этими воздействиями.

Основные публикации по теме диссертации всего 29, 0 п.л.

Статьи в научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

1. Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и устойчивости печатных плат БЦВМ в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех / В.А.Михайлов // Технологии ЭМС. - 2008. - № 2(25). - С. 33-40. - 1п.л.

2. Оценка стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных полей / В.А.Михайлов, К.Ю.Сахаров, В.А.Туркин и др. //Технологии ЭМС. - 2008. - № 4(27). - С. 12-19. - 1 п.л. -личный вклад 0.4 п.л.

3. Михайлов В.А. Построения высоконадежных бортовых вычислительных комплексов / В.А.Михайлов, В.А.Шпиев, В.И.Штейнберг // Технологии ЭМС. -2008,- №4(27). - С.20-23.-0,5 п.л.- личный вклад 0,16 п.л.

4. Михайлов В.А. Особенности применения метода сравнительного анализа при подтверждении стойкости РЭА к воздействию сверхвысокочастотного импульсного электромагнитного излучения / В.А.Михайлов, В.И. Бутин // Технологии ЭМС. - 2008. - № 4(27). - С. 43-47. - 0,6 п.л. - личный вклад 0,35п.л.

5. Средства измерений параметров и управления режимами в аппаратуре регулирования и контроля электроснабжения космических аппаратов / В.А.Михайлов, Ф.С.Власов, А.К.Тищенко, В.Н.Поспелов // Технологии ЭМС. -2008. - № 4(27). - С. 24-33. - 1,25 п.л. - личный вклад 0,31 п.л.

6. Михайлов В.А. Центр инновационных исследований и разработок «НИИ "Аргон" / В.А.Михайлов, Ф.С.Власов, В.И.Штейнберг // Радиопромышленность. -2009. Вып. 2. - С. 35-43. - 1,125 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

7. Михайлов В.А. Гонка без финиша / В.А.Михайлов, В.И.Штейнберг // Радиопромышленность. -2009. -Вып. 2. - С. 19-25.-0,87 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

8. Подход к созданию современного центра проектирования для разрабатывающего предприятия / В.А.Михайлов, А.Ю.Данилов, В.И.Рыкалов, А.П.Чуев // Радиопромышленность. - 2009. - Вып. 2. - С. 52-56. - 0,625 п.л. -личный вклад 0,2 п.л.

9. Системный подход к созданию методологии анализа и оценки устойчивости ИКС к деструктивному воздействию мощных ЭМИ / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B. Царегородцев, В.В. Воскобович //Технологии ЭМС. - 2012. -№ 1(40). - С. 51-59. - 1,125 п.л. - личный вклад 0,28 п.л.

10. Михайлов В.А. Проблема повышения эффективности использования интеллектуальных ресурсов в интересах развития новых информационных технологий / В.А.Михайлов, И.А.Лазарев, В.В. Воскобович // Информационные ресурсы России. - 2011. - № 6 (124). - С. 18-23. - 0,75 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

11. Методы интеллектуального анализа в задачах оценки устойчивости

ИКС к деструктивному воздействию ЭМИ / В.А.Михайлов, В.В.Воскобович, Л.О.Мырова, A.B. Царегородцев //Технологии ЭМС. -2012. - № 2(41). - С.79-90. - 1,5 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

12. Михайлов В.А. Модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости ВЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B.Царегородцев // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания -2012.-№ 1,2.-С. 124-128.-0,625 п.л, - личный вклад 0,25 п.л.

13. Михайлов В.А. Структура интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости ВЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B.Царегородцев // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2012. - № 1,2. - С. 116-120. - 0,625 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

14. Михайлов В.А. Интеллектуальная система анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B.Царегородцев // Электросвязь. - 2012. - № 7. - С. 36-40. -0,625 п.л. -личный вклад 0,25 п.л.

15. Михайлов В.А. Устойчивость информационных и телекоммуникационных систем в условиях развития перспективных технологий использования на-носекундных электромагнитных импульсов / В.А.Михайлов, Л.О.Мырова // Информационные и телекоммуникационные технологии. - 2012. - № 13. - С. 69-73. — 0,625 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

16. Михайлов В.А. Разработка модели воздействия деструктивных ЭМИ на элементы и узлы БЦВК / В.А. Михайлов, Л.О. Мырова, A.B. Царегородцев // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2012. — № 11. URL: jre.cplire. ru /jre/novl2/6/ text.html . - 1,75 п.л. - личный вклад 0,4 п.л.

17. Михайлов В.А. Исследование устойчивости современных бортовых систем управления к воздействию перспективных сверхкоротких электромагнитных импульсов / В.А.Михайлов // Электросвязь. - 2013. - № 3. - С. 51-53. -0,375 п.л. - личный вклад 0,375 п.л.

18. Михайлов В.А. Разработка сценариев обнаружения воздействия деструктивных электромагнитных импульсов на бортовые цифровые вычислительные комплексы / В.А.Михайлов, Л.О.Мырова, A.B.Царегородцев // Электросвязь. -2013.-№6.-С. 26-30. -0,625 п.л.- личный вклад 0,25 п.л.

19. Анализ функционирования бортовых вычислительных комплексов в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных полей / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, Т.Л.Рязановский и др. // Электросвязь. - 2013. - № 6. - С. 31-330,375 п.л. - личный вклад 0,125 п.л.

20. Михайлов В.А. Устойчивость каналов передачи данных бортовой системы управления современных беспилотных летательных аппаратов к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов / В.А.Михайлов,

Т.Л.Рязановский, И.А.Фомина // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2013. - № 1,2. - С. 72-76.-0,625 пл. - личный вклад 0,25 п.л.

21. Михайлов В.А. Современные проблемы обеспечения помехоустойчивости быстродействующих цифровых электронных средств / В.А.Михайлов, Л.О.Мырова // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2013. - № 1, 2. - С. 70-72. - 0,375 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

22. Михайлов В.А. Оценка эффективности функционирования ИСАУ БЦВК деструктивному воздействию ЭМИ на основе алгоритмов маршрутизации / В.А.Михайлов, JI.O. Мырова, A.B. Царегородцев // Успехи современной радиоэлектроники. - 2014. - № 2. - С.50-57. -1,0 п.л. - личный вклад 0,4 п.л.

23. Михайлов В.А. Создание современных бортовых вычислительных комплексов устойчивых к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов / В.А.Михайлов // Наукоемкие технологии. - 2014. - № 1. - Т. 15. - С. 6-12 -0,875 п.л. - личный вклад 0,875 п.л.

24. Михайлов В.А. Оптимизация размещения ЭРЭ на платах в отсутствии конвективного охлаждения / В.А.Михайлов, В.Ф.Мишин, А.В.Шустов // Радиопромышленность.-2010.-Вып. 1.-С. 26-34,- 1,125 п.л. — личный вклад 0,375 п.л.

25. Михайлов В.А. Новые страницы в истории БЦВМ комплекса «Аргон» / В.А.Михайлов // Радиопромышленность. - 2013. - Вып. 4. - С .5-10.-0,75 п.л.-личный вклад 0,75 п.л.

26. Михайлов В.А. Опыт разработки вычислительных средств для авиационных терминалов связи с использованием СБИС СНК 1867ВЦ8Ф /

B.А.Михайлов, С.О.Попов, В.И.Штейнберг // Радиопромышленность. - 2013. -Вып. 4. - С. 11-17. -0,875 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

27. Михайлов В.А. Анализ работы интеллектуальной системы оценки устойчивости БЦВК при воздействии деструктивных ЭМИ / В.А.Михайлов, JI.O. Мырова, A.B. Царегородцев // Наукоемкие технологии. - 2014. - № 1. - Т.15. -

C. 84-89 - 0,75 п.л. - личный вклад 0,3 п.л.

28. Михайлов В.А. Цифровая платформа - основа стратегии унификации нового поколения космических аппаратов / В.А.Михайлов, Ф.С.Власов, С.Ф.Власов // Наукоемкие технологии. - 2014. - № 1. - Т.15. - С. 29-36 - 1,0 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

29. Высокопроизводительный мультиядерный модуль-сервер общего назначения для мобильных информационно - управляющих систем и автоматизированных систем управления / В.А.Михайлов, В.А.Белов, Л.И. Драгомощенко, A.A. Соловьев // Наукоемкие технологии. - 2014. - № 1. - Т.15. - С.22-28 - 0,875 п.л. -личный вклад 0,25 п.л.

Основные публикации в других изданиях

30. Михайлов В.А. «ДОРА» - Новые технологии разработки аэрокосмических БЦВМ / В.А.Михайлов // Аэрокосмический курьер-1999- №2. - С. 7273. - 0,25 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

31. Михайлов В.А.Бортовая вычислительная техника - своя / В.А.Михайлов// Новый оборонный заказ. Стратегии. - 2013. - Вып. 2. - С. 25.-0,125 п.л. -личный вклад 0,125 п.л.

32. Михайлов В.А. Последний старт «Аргон-16» / В.А.Михайлов, В.И.Штейнберг //Аэрокосмический курьер. - 2011. - № 6. - С. 52-53. - 0,25 п.л. - личный вклад 0,125 п.л.

33. Михайлов В.А. НИИ «Аргон»: гонка без финиша / В.А.Михайлов // Аэрокосмический курьер. - 2013. - № 5. - С. 16-17. - 0,25 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

34. Михайлов В.А. Требования стандартов по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей / В.А.Михайлов, Б.Б.Акбашев // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. -М.: МИЭМ, 2008. - С. 7-12. - 0,375 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

35. Михайлов В.А. Метод БОТО / В.А.Михайлов, А.Н.Зеленин // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. -М.: МИЭМ, 2008. - С. 28-31. - 0,25 п.л. - личный вклад 0,15 п.л.

36. Михайлов В.А. Оценка воздействия сверхширокополосных мпульс-ных электромагнитных полей на системы обработки информации / В.А.Михайлов, Д.И. Крохалев // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2008. - С. 100-105. - 0,375 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

37. Михайлов В.А. Определение состава и видов электромагнитных воздействий на технические средства / В.А.Михайлов, Б.Б.Акбашев, С.И. Комягин // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2008. - С. 26-28. - 0,187 п.л. - личный вклад 0,08 п.л.

38. Михайлов В.А. Беспилотные летательные аппараты в условиях электромагнитного воздействия / В.А.Михайлов, С.И.Комягин // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М: МИЭМ, 2008. - С. 60-64. - 0,312 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

39. Михайлов В.А. Технические решения по обеспечению помехоустойчивости аппаратуры к воздействию электромагнитных помех / В.А.Михайлов, В.И. Бутин // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2009. - С. 5-11. - 0,438 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

40. Михайлов В.А. Функциональные сбои персонального компьютера при воздействии электромагнитных импульсов сверхкороткой длительности / В.А. Ми-

хайлов // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2008. - С. 152-157. - 0,375 п.л. - личный вклад 0,375 п.л.

41. Михайлов В.А. Актуальные вопросы повышения стойкости бортовых цифровых вычислительных машин к электромагнитным воздействиям / В.А. Михайлов // ЭМС и электромагнитная безопасность. ЭМС-2008: сб. докл. 10 НТК. - СПб.: БИТУ, 2008. - С. 358-360.-0,187 п.л, - личный вклад 0,187 п.л.

42. Михайлов В.А. Методическое обеспечение испытаний БЦВМ на стойкость к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов / В.А.Михайлов // ЭМС и электромагнитная безопасность. ЭМС-2008: сб. докл. 10 НТК. - СПб.: ВИТУ, 2008. - С. 553-556. - 0,25 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

43. Михайлов В.А. Вопросы электромагнитной совместимости бортовых вычислительных средств в интеллектуальных комплексах автоматизации и связи / В.А.Михайлов // Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах: сб. тр. 6 Международной конференции. - Греция, 2008.- С. 43- 48.-0,375 п.л. - личный вклад 0,375 п.л.

44. Михайлов В.А. Особенности защиты информационных и телекоммуникационных систем от воздействия мощных электромагнитных излучений/ В.А.Михайлов // Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: тр. научно-практической конференции ИНФО-2008. - Сочи, 2009. - С. 41 -47. - 0,875 п.л. - личный вклад 0,875 п.л.

45. Михайлов В.В. Использование технологий оперативной аналитической обработки данных для построения сложных аналитических систем / В.А.Михайлов // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: сб. докл. 8-го Международного симпозиума. - СПб.: ВИТУ, 2009. - С. 240-243. -0,5 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

46. Михайлов В.А. Методологическая основа построения глобальной информационной инфраструктуры для формирования национальных информационных инфраструктур / В.А.Михайлов, А.А.Сахнин // Сб. докладов военного инженерно-технического института и Военной академии тыла и транспорта. -СПб., 2011. - Вып. 10. - С. 300-307. - 1,0 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

47. Михайлов В.А. Критерии и критериальные параметры импульсного электромагнитного воздействия / В.А.Михайлов, Л.О.Мырова // Сб. тр. 8-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб., 2009. - С. 356-360. - 0,625 пл. -личный вклад 0,4 п.л.

48. Михайлов В.А. Энергетика излучения сверхкоротких импульсов в заданной полосе частот / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова // Сб. тр. 8-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб., 2009. - С. 352-356. - 0,625 п.л. - личный вклад 0,5 п.л.

49. Михайлов В.А. Определение критериальных параметров импульсного

электромагнитного воздействия / В.А.Михайлов, В.Е. Осташев // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2012. - С. 62-70. -0,56 п.л. - личный вклад 0,3 п.л.

50. Михайлов В.А. Оценка параметров излучения сверхкоротких импульсов в заданной полосе частот / В.А.Михайлов, В.Е. Осташев // ЭМС и проектирование электронных средств: сб. науч. тр. / под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: МИЭМ, 2012.

- С. 70-76. - 0,44 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

51. Михайлов В.А. Обеспечение помехоустойчивости средств связи нового поколения / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова // Информационные технологии в науке, технике и образовании: тр. 8-й международной научно-технической конференции. - Абхазия, 2012. - С. 254-260. -0,875 п.л, - личный вклад 0,5 п.л.

52. Михайлов В.А. Использование технологий оперативной аналитической обработки данных для построения сложных аналитических систем /В.А. Михайлов // Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование: сб. науч. тр. Международной НТК. -М., 2011.

- С. 338-342. - 0,625 п.л. - личный вклад 0,625 п.л.

53. Михайлов В.А. Разработка модели воздействия деструктивных ЭМИ на элементы и узлы БЦВК / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B. Царегородцев // Радиолокация и радиосвязь: сб. науч. тр. 6-й Всероссийской НТК. - М., 2012. - Т. 2. -С. 163-168. -0,75 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

54. Михайлов В.А. Анализ воздействия деструктивных ЭМИ на каналы передачи данных современных бортовых систем управления / В.А.Михайлов, Л.О. Мырова, A.B. Царегородцев // Радиолокация и радиосвязь: сб. науч. тр. 6-й Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2012 - Т. 2. - С. 158-162.

- 0,625 п.л. - личный вклад 0,25 п.л.

55. Михайлов В.А. Обеспечение ЭМС и оценка стойкости технических средств в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех: учеб. пособие для вузов / В.А.Михайлов, В.И. Бутин. - М.: МИЭМ, 2009. -100 с. - 6,25 п.л.

- личный вклад 3,2 п.л.

56. Испытания опытного образца унифицированного отказоустойчивого вычислителя ЕА2180: протокол испытаний / В.А.Михайлов, И.А.Фомина, Л.О. Мырова, Т.Л. Рязановский. - М.: ОАО «НИИ «Аргон», 2013. -13с. - 0,59 п.л. -личный вклад 0,2 п.л.

57. Патент № 2132598 RU. Радиоэлектронный блок / В.А.Михайлов и др. (RU). - № 98115412; заявл. 20.08.1998; опубл. 27.06.1999.-личный вклад 0,25 п.л.

58. Патент №2138931 RU. Способ изготовления двусторонней печатной платы и двусторонняя печатная плата / В.А.Михайлов и др. (RU). - № 98118270; заявл. 09.10.1998; опубл. 27.09.1999. - личный вклад 0,25 п.л.

59. Заявка на изобретение № 2014105854 от 18.02.2014. Способ интел-

лектуального анализа оценки устойчивости инфокоммуникационной системы к деструктивному воздействию электромагнитного излучения и система для его реализации / В.А. Михайлов и др. - личный вклад 0,45 п.л.

60. Заявка на полезную модель № 2014109109 от 12.03.2014. Унифицированный отказоустойчивый бортовой вычислитель/ В.А. Михайлов и др. - личный вклад 0,25 п.л.

61. Разработка промышленной технологии создания унифицированного отказоустойчивого вычислителя для комплекса бортового оборудования: отчет по ОКР «Кластер» / В.А.Михайлов и др. - М.: ОАО «НИИ «Аргон», 2013 - Книги 1,2. - 520 с. -23,63 п.л. - личный вклад 2,7 п.л.

62. Разработка технологии создания специального, отказоустойчивого, высокопроизводительного, модифицируемого бортового вычислительного комплекса специального назначения со встроенной гигабитной волоконно-оптической средой передачи информации для авиационных и мобильных объектов автоматизации и управления: отчет по ОКР «Волопас» / В.А.Михайлов и др. - М.: ОАО «НИИ «Аргон», 2013. - Книги 1- 5. - 550 с. -25 п.л. - личный вклад 3,125 п.л.

Лицензия ЛР № 020832 от 15 октября 1993 г. Подписано в печать «28» марта 2014г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0 Тираж 150 экз. Заказ № 11

Типография издательства НИУ ВШЭ 125319, г. Москва, Кочновский пр-д, д. 3

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Аргон»

На правах рукописи

05201451126

Михайлов Виктор Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор А.В.Царегородцев

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................. 7

ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы оценки устойчивого функционирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях преднамеренного воздействия мощных электромагнитных излучений..... 27

1.1 Анализ нормативных документов по обеспечению устойчивости инфо-коммуникационных систем к воздействию СК ЭМИ в России и за рубежом 27

1.2 Особенности воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК............ 41

1.3 Обзор существующих методов анализа и оценки деструктивного воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК....................................... 49

1.3.1 Расчетные методы.................................................................. 49

1.3.2 Экспериментальные методы..................................................... 68

1.3.3. Расчетно-экспериментальные методы......................................... 69

1.4 Анализ методов и средств обеспечения устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию мощных СК ЭМИ.............................................. 71

1.5 Выводы по главе и выбор направления исследований....................... 74

ГЛАВА 2 Методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ..................... 78

2.1 Структура интеллектуальной системы анализа устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ...................................................... 78

2.2 Интеллектуальные методы решения задач оценки устойчивости элементов и узлов БЦВК к деструктивному действию СК ЭМИ.................... 83

2.3 Нейросетевые методы обнаружения деструктивных ЭМВ.................. 90

2.4 Гибридные средства обнаружения деструктивных ЭМВ на элементы и

узлы БЦВК.................................................................................. 100

2.4.1 Эволюционно-генетический подход.......................................... 101

2.4.2 Нейросетевые экспертные системы в задачах обнаружения деструктивных ЭМВ................................................................................ 114

2.4.3 Нейро-нечеткие методы для обнаружения деструктивных ЭМВ......... 118

2.5 Выводы по главе....................................................................... 122

ГЛАВА 3 Модели взаимодействия мощных импульсных электромагнитных полей с элементами БЦВК.............................................................. 124

3.1 Структура и характеристики современных БЦВК.............................. 126

3.2 Организация систем информационного обмена и требования к стойкости каналов передачи данных современных БЦВК................................ 138

3.3 Математическая модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных и управления БЦВК.................................................................. 150

3.3.1 Особенности построения высокоскоростных бортовых сетей на основе технологии Gigabit Ethernet........................................................... 151

3.3.2 Анализ воздействия деструктивных ЭМИ на каналы передачи данных БЦВК на основе технологии Gigabit Ethernet........................................ 154

3.3.3 Математическая модель потерь кадров в сетях Gigabit Ethernet при воздействии СК ЭМИ..................................................................... 158

3.4 Математическая модель взаимодействия СК ЭМИ с универсальными вычислителями контура управления БЦВК.......................................... 163

3.4.1 Исследование воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на универсальные вычислители БЦВМ........................................... 163

3.4.2 Математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с микропроцессорными устройствами БЦВМ........................................ 166

3.4.3 Эффективность поражающего действия СК ЭМИ на печатные платы управляющих устройств БЦВК......................................................... 175

3.5 Методика оценки воздействия СКИ ЭМИ на типовые микропроцессорные устройства контура управления БЦВК..................................... 177

3.6 Выводы по главе....................................................................... 179

ГЛАВА 4 Критериально-математический аппарат построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.......................................................................... 181

4.1 Базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ............ 181

4.2 Основные этапы построения интеллектуальной системы с использованием адаптивных средств для обнаружениядеструктивных ЭМП на элементы и узлы БЦВК........................................................................... 185

4.2.1 Иерархия уровней системы обнаружения деструктивных ЭМВ.......... 188

4.2.2 Организация иерархии уровней системы обнаружения деструктивных

ЭМВ........................................................................................... 191

4.3 Разработка показателей стойкости элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ............................................................. 197

4.3.1 Требования к элементам БЦВК.................................................. 197

4.3.2 Анализ эффектов, возникающих в БЦВК при деструктивном воздействии СК ЭМИ.............................................................................. 201

4.3.3 Критерии оценки уязвимости БЦВК от воздействия деструктивных

СК ЭМИ..................................................................................... 207

4.4 Методика оценки стойкости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ 214

4.5 Сценарии работы СОДЭМВ по обнаружению воздействия на

БЦВК деструктивных СК ЭМИ....................................................... 221

4.5.1 С ервис маршрутизации........................................................... 225

4.6 Выводы по главе....................................................................... 239

ГЛАВА 5 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивочти БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ 242

5.1 Модель интеллектуальной системы анализа устойчивости элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ...................... 242

5.1.1 Модель системы обнаружения деструктивных ЭМВ..................... 242

5.1.2 Модель потока ЭМВ............................................................ 245

5.2 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.... 250

5.2.1 Нейросетевая реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ...................... 251

5.2.2 Организация многофункциональной памяти................................ 260

5.2.3 Оценка эффективности реализации процессов интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ.................................................................... 261

5.3 Структурные решения нейросетевой реализации ИСАУ БЦВК......... 263

5.3.1 Командные пулы уровня формального нейрона............................ 269

5.3.2 Командные пулы уровня слоя формальных нейронов................... 274

5.4 Аппаратно-программные средства интеллектуальной системы обеспечения устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ............ 281

5.5 Программная реализация режимов ИСАУ БЦВК при воздействии деструктивных СК ЭМИ................................................................... 288

5.6 Выводы по главе...................................................................... 291

ГЛАВА 6 Экспериметнальные исследования воздействия преднамеренных сверхкоротких элнктромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК... 294 6.1. Научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК....................................... 294

6.1.1. Выбор и обоснование объектов и условий для проведения экспериментальных исследований на воздействие СК ЭМИ............................... 294

6.1.2 Выбор и обоснование экспериментальной базы для проведения экспериментальных исследований на воздействие СКИ ЭМП......................... 296

6.1.3 .Программа и методики проведения экспериментальных исследований устойчивости БЦВК к воздействию мощных СКИ ЭМП...................... 298

6.1.4 Обоснование требований предъявляемых к образцу, методам и средствам его испытаний на воздействие СКИ ЭМИ................................... 304

6.2 Экспериментальные исследования воздействия СКИ ЭМИ на элементы

и узлы БЦВК................................................................................ 306

6.2.1 Критерии оценки устойчивости БЦВК при воздействии СКИ ЭМИ... 306

6.2.2 Результаты исследований устойчивости различных БЦВМ в условиях воздействия СКИ ЭМИ................................................................... 308

6.2.3 Результаты исследований стойкости каналов передачи данных и управления БЦВК в условиях воздействия СКИ ЭМП........................... 320

6.3 Методы обеспечения устойчивости бортовых вычислительных комплексов в условиях воздействия электромагнитных полей...................... 325

6.3.1 Обобщенные рекомендации для защиты БЦВК.............................. 325

6.3.2. Практические рекомендации по результатам экспериментальных исследований БЦВК......................................................................... 328

6.3.3 Требования, предъявляемые к средствам защиты от СК ЭМИ............. 330

6.4 Модельные эксперименты по оценке эффективности функционирова-

ния ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ................................................333

6.5 Выводы по главе..........................................................................................................................................344

Заключение..................................................................................................................................................................348

Список сокращений и условных обозначений..........................................................................358

Список литературы..............................................................................................................................................360

ВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие необходимость обеспечения защищенности элементов и узлов инфокоммуникационных систем от мощных электромагнитных излучений (ЭМИ) становится обязательным условием при проектировании многих объектов. Такое требование диктуют новейшие достижения в области генерации сверхмощных широкополосных электромагнитных полей (СШГГ ЭМГТ), а также имеющие место быть во многих сложных технических системах значительные по протяженности распределенные кабельные сети.

Кроме того, под влиянием развития элементной базы микроэлектроники все процессы в информационных системах смещаются в сторону увеличения быстродействия. Причем повышение быстродействия инфокоммуникационных систем сегодня происходит с временами переключения единицы и доли наносекунд, что позволяет существенно увеличивать объем информации, обрабатываемой в единицу времени. Особенно высокие требования по быстродействию предъявляются к системам, работающим в реальном масштабе времени. В таких системах значение оценки отношение стоимость/быстродействие с повышением быстродействия при неизменной стоимости постоянно снижается.

При этом надо иметь в виду, что компоненты любой сложной системы распределены в пространстве и связь между ними физически осуществляется при помощи сетевых соединений, реализованных в виде структурированных кабельных систем (СКС) (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.п.). Всё это выставляет определенные требования, как к электронному оборудованию, так и к информационной инфраструктуре, которые следует рассматривать как единое целое, и нарушение информационной целостности в одном звене приведет к нарушению работы всей системы. К тому же, технология, обеспечивающая высокие скорости обработки информации, обладает повышенной чувствительностью к наведенным напряжениям и токам, вызванным электромагнитными полями от различных источников естественного и искусственного происхождения, включая преднамеренные силовые электромагнитные воздействия [35].

Особенно это относится к современным бортовым цифровым вычислительным комплексам, функционирующих в условиях преднамеренного воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений, которые занимают особое место в системах управления и контроля подвижными объектами, и все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. В связи с чем, сегодня особо остро стоит задача по защите бортовых цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) от воздействия сверх-короткоимпульсного электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ). Кроме того, имеется устойчивая тенденция всё большего использования в современных бортовых цифровых вычислительных комплексах микропроцессорных устройств с временами срабатывания единицы и доли наносекунд и значительного уменьшения уровней и длительности сигналов для передачи информации, а также появление более мощных стационарных и мобильных излучателей, формирующих периодические и однократные сверхкороткие электромагнитные импульсы и обладающие принципиально новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников ЭМИ: соразмерностью длительности воздействующих импульсов с длительностью информационных сигналов.

Это приводит к тому, что уровень наведенных помех от ЭМИ становится сопоставим с уровнем информационных сигналов и, как следствие, возрастает вероятность разрушения обрабатываемой информации циркулирующей в БЦВК, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. [2, 69, 91, 98-99, 179, 186].

Также установлено, что эти источники способны оказывать воздействия на БЦВК и его элементы, приводящие к частичному нарушению целостности и полной потери передаваемого информационного сигнала, а в некоторых случаях к нарушению функционирования элементов и узлов БЦВК. При этом важной особенностью данного воздействия является часто не физическое разрушение элементной базы вычислительных комплексов и физических каналов связи, а искажение обрабатываемой информации.

В то же время существующие системы защиты БЦВК в условиях воздейст-

вия ЭМИ являются, как правило, малоэффективными, а в ряде случаев неприемлемыми как с технической, так и с экономической стороны, что существенно повышает важность решения проблемы по поиску новых методов обеспечения устойчивого функционирования бортовых систем управления.

Особую актуальность данная проблема приобретает еще и в связи с принятием нового поколения национальных и международных стандартов по электромагнитным явлениям и разработкой новых типов источников электромагнитной энергии, которые характеризуются более высокими значениями ЭМП и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной и субнано-секундной областях. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2-3 раза амплитуды напряженности полей с длительностью фронта до нескольких долей наносекунд. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие ЭМИ, сложность современного бортового оборудования затрудняют получение достоверной информации о степени поражения и механизмах поражения [3, 6, 38-41, 149-152].

Также в настоящее время Международная электротехническая комиссия (МЭК), являющаяся законодателем в области создания стандартов по электротехнике и электронике во всём мире, уделяет огромное внимание решению проблемы стандартизации, касающейся воздействия переходных электромагнитных явлений большой энергии. В серию международных стандартов МЭК 61000 (в России комплекс стандартов «Мороз»), регламентирующих мероприятия по обеспечению устойчивости аппаратуры к воздействию ЭМИ, включен МЭК 61000-2-13, 2005 "Электромагнитная совместимость. Сверхширокополосный электромагнитный импульс", определяющий форму и спектральный состав СШП ЭМИ.

Решение проблемы обеспечения стойкости БЦВК к воздействию мощных импульсных электромагнитных полей представляет собой сложный многоэтапный процесс. Особенностью заданий на разработку БЦВК является наличие одновременно различных по спектру действующих ЭМИ, что требует анализа и оцен-

ки воздействия ЭМИ на отдельные элементы и узлы, а в конечном итоге на весь бортовой комплекс в целом.

Деструктивное воздействие ЭМИ на бортовые вычислительные комплексы может быть обусловлено как непосредственным воздействием импульсных электромагнитных полей на элементы бортового комплекса, так и наведенными в соединительных линиях и цепях токами и напряжениями. Чувствительность элементов и узлов БЦВК к воздействию ЭМИ в зависит от целого ряда факторов, в частности, положения относительно направления векторов электрического и магнитного полей, геометрических размеров электрических цепей и контуров, их конфигурации, взаимных связей, номиналов электрических нагрузок, величин емкостных и индуктивных связей с элементами конструкций системы и окружающей средой, качества экранирования и т.д.

При этом, следует иметь в виду, что даже для тех элементов и узлов БЦВК, корпуса которых могут выполнять роль электромагнитных экранов, электромагнитные импульсы будут оказывать деструктивное воздействие через соединительные линии и разъемы. Таким образом, все виды проводящих си�