автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.05, диссертация на тему:Развитие информационного обеспечения пунктов пропуска на государственной границе Российской Федерации

005010878

На правах рукописи

ПРОКОПЕНКО Владимир Сергеевич

РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПУНКТОВ ПРОПУСКА НА ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГРАНИЦЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

05.25.05 - Информационные системы и процессы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 [и?

МОСКВА-

2012

005010878

Работа выполнена в отделе сопровождения и развития информационных технологий и программных средств Федерального государственного унитарного предприятия «Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия» (ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сухов Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зайцев Александр Владимирович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Божков Игорь Викторович

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр информатики

при Министерстве иностранных дел Российской Федерации

Защита состоится « /¿/» /Х/ЦТА 2012 г. в ^ часов ¿^мин. на заседании диссертационного совета по экономическим наукам Д 222.020.02 при Российском научно-техническом центре информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия по адресу: 123995, г. Москва, К-1, ГСП-5, Гранатный пер., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Российского научно-технического центра информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия по адресу: г. Москва, Нахимовский проспект, д. 31, корп. 2, с авторефератом дополнительно - на официальной сайте Российского научно-технического центра информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия www.gostinfo.ru.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выбранной темы исследования.

В настоящее время в связи с развитием экономических связей Российской Федерации с зарубежными странами как никогда требуется чёткая организация государственного контроля (пограничного, таможенного, санитарно-карантинного, потребительского и др.) на пунктах пропуска через государственную границу (ПП), что объективно предполагает оптимизацию информационных потоков, циркулирующих в информационной системе государственного контроля (ИСГК) на государственной границе в целевом информационном пространстве, а также использование методологии своевременного представления информации и принятия управленческих решений.

При функционировании ИСГК реализуются такие функции, как сбор, анализ информации о состоянии объекта, принятие решения по оптимальному управлению поведением объекта в целевом, информационном пространстве, выдача информационно-управляющих решений на объект и взаимодействие с внешней средой и другими системами. При этом процессы приёма, обработки и выдачи информации происходят преимущественно с использованием ЭВМ. В процессе функционирования такой ИСГК основным компонентом является управляющая система, ядром которой является лицо, принимающее решения (ЛПР). Такая система управления является социально-технической организационной структурой, относящейся к классу эргатиче-ских систем (эргасистем). При этом информационное обеспечение на пунктах пропуска через государственную границу может рассматриваться как диалектическая совокупность единой системы классификации и кодирования информации и унифицированных систем документации, представляемых с точки зрения единого информационного подхода, использующего энтропию покрытия.

Анализ показывает, что к информационному обеспечению пунктов пропуска через государственную границу предъявляются два основополагающих требования: с одной стороны, оно должно обеспечивать максимальную эффективность работы при организации пропуска грузопотоков, предполагающую минимизацию времени контроля; с другой - необходимо реали-зовывать выполнение требований действующего законодательства на грузоперевозки в полном объеме, которые являются ограничивающими факторами при организации пропуска через государственную границу. Необходимость выполнения указанных требований условиях, когда с расширением экономических связей нашей страны грузопотоки через государственную границу перманентно и динамично нарастают, актуализируется задача развития информационного обеспечения пунктов пропуска на государственной границе Российской Федерации, что объективно предполагает разработку соответствующего методического аппарата.

Степень научной разработанности проблемы. Описание функционирования эргасистем стало возможным с конца ХХ-го века, когда сформи-

ровапось достаточно много научных направлений в областях теории информации, теории оптимального управления и оценивания, математической экономики. К этому в первую очередь относится достаточно мощный математический аппарат, основанный на работах по оптимальному управлению Л. Е. Понтрягина и коллектива его учеников. Также развитие получила теория оптимального оценивания состояний - оптимальной нелинейной фильтрации в работах Р.Л. Стратоновича, В.И. Тихонова, В.Н. Харисова, В.А. Смирнова, В.В. Горшкова, В.И. Прыткова, В.В. Бетанова и других. Информационный аспект рассматриваемых вопросов охватывают работы А.Н.Колмогорова, К.Шеннона, Р.Л. Стратоновича, А.Н.Мартьянова, Ф.С. Варайского, A.M. Прохорова, A.B. Чечкина, Д.А. Ловцова, A.B. Сухова. Экономическое обоснование решаемых вопросов представлено в работах К. Кастеллани, Дж. Каста, М.И. Ломакина, B.C. Королюк, Б.Л. Кучина, Е.В. Якушевой, В.В. Цыганова и других. Вопросы информационного обеспечения управления рассматривались в работах Г.А. Титаренко, М.Я. Клепцова, Л.А Вдовенко, А.Н. Романова, Б.Е. Одинцова, И.Н. Денисова, Е.А. Финченко, Г.С. Лебедева, Д.А. Ловцова, Б.И. Глазова и других.

Вместе с тем анализ показывает, что, не смотря на большое количество работ, посвященных созданию и развитию систем информационного обеспечения процессов управления, вопросы создания соответствующего теоретико-методического аппарата развития информационных систем с учетом конкретной специфики их функционирования на основе единого информационного подхода, использующего энтропию покрытия, в настоящее время не получили должного развития.

Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью разрешения противоречия между, с одной стороны, потребностью в минимизации времени контроля и необходимостью обеспечения выполнения в полном объеме требований законодательства РФ на грузоперевозки на ПП на государственной границе Российской Федерации, и с другой стороны - отсутствием соответствующего методического аппарата развития информационного обеспечения ПП на государственной границе, обеспечивающего представление информации в ИСГК с единых позиций, а также оптимизацию информационных процессов и информационных ресурсов.

Для разрешения данного противоречия может быть использован информационный, целевой подход к оценке потенциального качества функционирования таможенного контроля на ПП РФ, основанный на энтропии покрытия, характеризующей состояние таможенного контроля, обеспеченность и оснащённость системы таможенного контроля с позиций соответствия решению своих функциональных задач.

Актуальность данной проблемы её недостаточная проработанность определили тему, цель, объект, предмет исследования и научные задачи проведённого исследования, необходимые для решения указанной проблемной ситуации.

Объект и предмет исследования.

Объектом диссертационного исследования являются информационные процессы и информационный ресурс элементов ИСГК.

Предметом диссертационного исследования являются методы оптимизации информационных процессов и информационных ресурсов ИСГК.

Цель и задачи диссертационного исследования.

В диссертационной работе поставлена цель: на основе представления информационной системы государственного контроля на государственной границе в целевом информационном пространстве, основанном на информационной мере - энтропии покрытия, решить научную задачу разработки методического инструментария развития информационного обеспечения пунктов пропуска, обеспечивающего оптимизацию информационных процессов и информационных ресурсов в ИСГК на основе представления информации в ИСГК с единых позиций, а также ресурсного состояния элементов ИСГК по результатам анализа динамики информационных потоков в узлах информационной системы государственного контроля.

Указанная научная задача декомпозируется на следующие задачидис-сертационного исследования:

1) разработка информационно-математической модели состояния ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия в условиях решения таможенной службой РФ своих функциональных задач;

2) выработка оптимальных управляющих воздействий в информационной области отношений и реализация их в предметной области отношений при управлении состоянием ПП;

3) синтез методики оптимизации информационных ресурсов элементов ИСГК;

4) разработка компьютерной динамической модели функционирования ИСГК при оптимальном управлении в целевом информационном пространстве.

Теоретическая и информационная основы исследования.

Теоретической основой исследования явились фундаментальные работы по теории информации (К. Шеннона, Р. Л. Стратоновича), оптимального управления (Л.Е. Понтрягина) и труды в области математической экономики. Базовой основой проведённого исследования является информационный подход, основанный на энтропии покрытия, предложенный в работах A.B. Сухова, позволяющий решать задачи оптимального управления ИСГК в информационном пространстве.

В качестве информационной и статистической базы проведённого исследования послужили данные по системе пограничной службы ФСБ России.

Научная новизна и научные результаты, выносимые на защиту.

Научная новизна исследования заключается в том, что в основе решения задачи оптимизации информационных потоков и информационных ресурсов лежит анализ сходимости и расходимости информационных потоков в узлах ИСГК. При этом ресурсный обмен элементов ИСГК представлен через

оценку изменения состояния элементов с использованием обобщённой энтропии покрытия, а эффективность информационной системы оценивается по количеству информации объекта управления. Участие элементов при этом характеризуется исходящими и входящими информационными потоками, а устойчивость характеризуется расхождением информационного поля в узле -дивергенцией обобщённой информации в узле.

Научная новизна содержится в следующих результатах, выносимых на защиту.

1. Информационно-математическая модель описания информационных процессов в ИСГК и информационных ресурсов элементов и объекта ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия, использующая отображение динамических процессов в предметной, ресурсной области, описываемых стохастическими дифференциальными уравнениями состояния, в информационную область через дивергенцию обобщённой информации узла и обеспечивающая возможность оптимального решения всеми службами государственных контрольных органов Российской Федерации комплекса своих функциональных задач.

2. Методика оптимизации информационного состояния ПП, основанная на оптимальном оценивании состояния в предметной области отношений, что позволяет сформировать отображение динамики этого состояния в информационное пространство отношений в смысле обеспечения информационной устойчивости узла, реализуемая далее в предметной области отношений обратным информационным отображением.

3. Методика оптимизации информационных ресурсов элементов ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия и заключающаяся в анализе дивергенции информационных потоков элемента, построения фазового портрета его информационного состояния, оценке устойчивости элемента ИСГК и нахождении оптимального информационного ресурсного состояния.

4. Компьютерная динамическая модель описания информационных процессов в ИСГК, позволяющая на основе оценки реального состояния ПП, использующей аппарат оптимальной нелинейной фильтрации Стратоновича-Тихонова, получить оценку состояния ПП в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия, и далее выработать оптимальные управляющие воздействия, с целевых позиций организующие поведение ПП в предметной области отношений.

Практическая значимость исследования.

Совокупность выводов и предложений, содержащихся в диссертационном исследовании, может быть использована при решении таких практических задач, как оценка технического состояния ПП, выработка рекомендаций по его техническому и кадровому дооснащению в условиях возрастающего потока клиентов, или частичному демонтажу технической оснащённости и секвестированию управленческого персонала в случае недостаточной востребованности.

Работа может быть использована как основа для дальнейшей научной разработки проблематики развития информационного обеспечения деятельности органов таможенного контроля Российской Федерации.

Апробация результатов и публикации.

Основные теоретические положения и выводы диссертации изложены в семи публикациях общим объёмом 5,5 п.л. (авторский объем - 3,0 пл.), в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 4 статьи общим объёмом 3,2 п.л. (авторский объем - 1,9 п.л.). Отдельные положения диссертационного исследования получили апробацию в ходе учебных занятий в «МАТИ» -Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.

Структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 167 страницах печатного текста, включает 7 таблиц, 25 рисунков и состоит из оглавления, введения, четырёх глав, заключения и списка использованных нормативно-правовых актов и научной литературы, в котором указаны 75 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность, теоретическая и практическая значимость темы диссертации, цель, задачи, объект и предмет исследования, определяются теоретические и методологические основы и научная новизна диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ понятия «информация» для ИСГК с позиций управления их организационно-техническим состоянием, а также рассмотрены вопросы, связанные с информационным представлением функционирования элементов ИСГК и решаемых ими задач.

Понятие государственной границы имеет большую значимость для РФ, определяемую основными показателями границы - протяжённостью, наличием водных, морских, сухопутных участков, широким спектром сопредельных государств. Характеристики границы РФ приведены в таблицах 1,2.

До 2008 года Россия граничила с 16 государствами: Норвегия, Финляндия, Эстония, Латвия, Литва, Польша, Белоруссия, Украина, Грузия, Азербайджан, Казахстан, Китай, Монголия, КНДР, Япония и США. После признания государств Абхазия и Южная Осетия число соседей выросло до 18. Протяжённость российской границы (всей) составляет 60 932 км.

Российский гражданин может свободно, имея лишь внутренний паспорт, пересекать границу с Белоруссией, Казахстаном и Украиной, а также с Абхазией и Южной Осетией (однако с Грузией установлен визовый режим).

Регулирование государственных интересов осуществляется в соответствии с Законом РФ от 1 апреля 1993 г. «О Государственной границе Российской Федерации». Данный юридический акт закрепляет и определяет систему принципов и требований в части регулирования государственных интересов на границах России.

Таблица 1

Протяженность границ Российской Федерации.

Общая - 60 932 км

- речная и озёрная - 7 616 км

- сухопутная - 14 509 км

- морская: - 38 807 км

Балтийское море 126,1 км

Черное море 389,5 км

Каспийское 580 км

Тихий океан 16 997,9 км

Северный Ледовитый океан 19 724,1 км

Таблица 2

Государства, граничащие с Российской Федерацией

Государства, имеющие сухопутные Протяженность сухопутной Протяженность морской

и морские границы с РФ границы (км) границы (км)

Норвегия 195,8 23,3

Финляндия 1271,8 54

Эстония 324,8 142

Латвия 270,5 Нет

Литва 266 22,4

Польша 204,1 32,2

Украина 1925,8 320

Грузия 572,5 22,4

Южная Осетия 70 Нет

Абхазия 255,4 Нет

Азербайджан 372,6 22,4

Казахстан 7512,8 85,8

Монголия 3485 Нет

Китай 4209,3 Нет

КНДР 17 22,1

Белоруссия 1239 Нет

Япония нет 194,3

США нет 49

Одновременно регулирование государственных интересов осуществляется Федеральным законом от 28.12.2010 г. № 390-Ф3 «О безопасности», который закрепляет правовые основы обеспечения безопасности личности, общества и государства, определяет систему безопасности и ее функции, устанавливает порядок организации и финансирования органов обеспечения безопасности, а также контроля и надзора за законностью их деятельности.

Пограничная деятельность должна осуществляться в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 26 июня 2008 г. № 482 «Об утверждении правил установления, открытия, функционирования

(эксплуатация), реконструкции и закрытия пунктов пропуска через государственную границу Российской Федерации».

В соответствие с частью второй статьи 9 Закона Российской Федерации от 1 апреля 1993 г. №4730-1 «О Государственной границе Российской Федерации » под пунктом пропуска через Государственную границу понимается территория (акватория) в пределах железнодорожной, автомобильной станции или вокзала, морского (торгового, рыбного, специализированного), речного (озерного) порта, аэропорта, военного аэродрома, открытых для международных сообщений (международных полетов), а также иной специально выделенный в непосредственной близости от Государственной границы участок местности, где в соответствие с законодательством Российской Федерации осуществляется пропуск через Государственную границу лиц, транспортных средств, грузов, товаров и животных.

ИСГК является сложной системой управления объектами технических, технологических, организационных и экономических комплексов, в которой управляющая система содержит человека-оператора или группу операторов как главный компонент, характеризующийся функциональной активностью и функциональным гомеостазисом на множестве функциональных возможностей в условиях динамически изменяющейся внешней среды является эрга-тической системой (эргасистемой).

Современное состояние информационных технологий целесообразно рассмотреть с позиций: общего понятия «информация для эргасистем», вопросов информационного обмена между эргасистемами - информационного взаимодействия (защиты, соперничества и сотрудничества), анализа информационных технологий.

Во всех этих случаях базовым понятием является информация, и, поскольку речь идёт социально-технических системах (СТС), это понятие должно иметь чёткое метрическое представление.

К оценке потенциального качества функционирования ИСГК используется информационный, целевой подход, основанный на энтропии покрытия, характеризующей состояние (обеспеченность и оснащённость) ГТГГ с позиций соответствия решению задач таможенного контроля.

Согласно пункту 2 Правил определения пределов пункта пропуска через государственную границу Российской Федерации, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 7 апреля 2008 г. № 253 (далее - Правила), под пределами пункта пропуска понимаются границы территории (акватории) в пределах железнодорожной, автомобильной станции или вокзала, морского, речного (озерного) порта, аэропорта (аэродрома), военного аэродрома, открытых для международных сообщений (международных полетов), а также специально выделенного в непосредственной близости от государственной границы участка местности, где в соответствии с законодательством Российской Федерации осуществляется пропуск через государственную границу Российской Федерации лиц, транспортных средств, грузов, товаров и животных.

В разделе II Правил установления, открытия, функционирования (эксплуатации), реконструкции и закрытия пунктов пропуска через государственную границу Российской Федерации, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 26 июня 2008 г. № 482, указана классификация и специализация пунктов пропуска.

В соответствие с пунктом 5 Правил пункты пропуска классифицируются на:

1) по виду международного сообщения: морские, речные (озерные), воздушные, автомобильные, железнодорожные, пешеходные, смешанные;

2) по характеру международного сообщения: пассажирские, грузовые, грузопассажирские;

3) по режиму работы: постоянные, временные, сезонные, работающие на нерегулярной основе.

Постановка и математическая формулировка задачи оптимального информационного управления. Информационная система государственного контроля представляет собой по существу эргатическую систему -сложную систему управления объектами технических, технологических, организационных и экономических комплексов, в которой управляющая система содержит человека-оператора (или группу операторов) как главный компонент, характеризующийся функциональной активностью и функциональным гомеостазисом на множестве функциональных возможностей в условиях динамически изменяющейся внешней среды. Эргасистема, являясь, по сути, человеко-машинной системой, представляет собой более широкое понятие, поскольку включает внутреннюю и часть соприкасающейся внешней среды. Пространство активного взаимодействия элементов ИСГК образует инфосферу - область активного функционирования информационных деятелей -источников и потребителей информации, использующих различные информационные среды.

Для математического описания функционирования ИСГК определим вектор состояния г'-го элементов и объекта управления, который включает специфические технические параметры ПП, связанные с его видом и предназначением, и компоненты социального, человеческого фактора.

В качестве компонентов И1Ш(1) зададим технические параметры оборудования в соответствии с их оптимальным, рациональным значением и под-вектор социальных параметров Ка0).

Под рациональными значениями будем понимать параметры, обеспечивающие заданное качество функционирования ПП, т.е. не худшее, чем требуется, но и не абсолютно возможное. К таким компонентам относятся денежные средства по своим статьям расходования, запасные инструменты и принадлежности, контрольно-измерительные средства, а также энергетические, сырьевые, капитальные фонды и другие.

(1)

Вектор социальных компонентов, определяемый человеческим фактором. Наиболее предпочтительной моделью его описания является иерархическая пирамида потребностей А. Маслоу.

Динамическое состояние элементов ИСГК и объекта управления в предметной области может быть описано системами стохастических дифференциальных уравнений, учитывающих возмущающие факторы внешней среды и среды взаимодействия элементов системы.

к(0 = н(д(о,»(/), ',«(')). (2)

где п (I) - вектор возмущающих факторов,

и(1) - вектор управляющих воздействий, формируемый в информационном пространстве. Требуется: на заданном временном отрезке [Гн, Гк] обеспечить изменение ЯоО) от начального значения Я0(Т„) до значения ^(Гк) при условии функциональных ресурсных ограничений для субъекта ИСГК с минимизацией расходования ресурсов системы:

ЦЯ0(Г„), ЯоО+ £/[я(/),1|(0,<]«й ->шш, (3)

ЬЩ{ТН), Я,(ТК)\+ (/[«,(')- «,(<).'] Л < Ь,м

где Ф - целевой оператор ресурсного отображения объекта управления;

Я/ - область допустимых ресурсных ограничений для элементов ИСГК, 1 е [1,...,/»];

и, и, - функции, реализующие управляющие воздействия для объекта управления и элементов ИСГК и входящие в правую часть стохастического дифференциального уравнения (2); ./(•) - интегрант функционала расхода ресурсов; [,(■) -терминант функционала расхода ресурсов.

Алгоритм решения задачи оптимального управления может быть представлен следующим образом:

1) оценка текущего состояния объекта в предметной области отношений и отображение этого состояния в целевое информационное пространство;

2) анализ динамики и устойчивости поведения элементов ИСГК;

3) анализ информационных потоков в ИСГК и прогноз выполнения целевой задачи - управления объектом;

4) решение задачи оптимального управления в информационной области отношений и согласованное представление динамики ресурсного обмена;

5) обратное отображение оптимального управления в предметную область отношений;

6) синтез и реализация математической модели ИСГК на компьютере, что реализует компьютерную систему поддержки принятия решений в ИСГК;

7) анализ полученных результатов по управлению ПП. Во второй главе диссертации рассмотрена информационно-математическая модель описания информационных процессов в ИСГК и информационных ресурсов элементов и объекта ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия.

Энтропия покрытия для объекта управления определяет степень соответствия параметров ПП их требуемым значениям через логарифм относительного покрытия по приведению к норме множества реальных технических параметров множеством требуемых технических параметров. Энтропия покрытия представляет собой функцию от векторного аргумента

я„р,) = А.||/||Я,||), (4)

где Вр, Б т - множества реальных и требуемых технических показателей соответственно;

\ - операция разности множеств; |||| — норма.

Для описания предметной области отношений будем использовать дифференциальные уравнения состояния в форме Стратоновича. В общем случае с учётом (2) они имеют вид:

Я О) = И (Я 0), и ((), 0 + п г (I), (5)

где И(Я (I), I) - некоторая векторная функция,

и г (I) - векторный белый гауссовский шум.

Уравнения состояния характеризуют обмен ресурсами Я0"1 между элементами ИСТК. Однако каждый элемент ИСТК имеет свой собственный вектор состояния Я!", описывающий его внутреннее состояние.

Отображение внутреннего вектора ресурсов на внешний обобщённый ресурс описывается векторными функциями ресурсного отображения. Общий вид прямого и обратного ресурсного отображения следующий:

Г Ят"=/ро(Яш),

Подвектор технических компонентов состоит из ресурсов (обобщённых ресурсных показателей), расходуемых в процессе ресурсного обмена. К таким компонентам относятся в первую очередь денежные средства, а также энергетические, сырьевые, капитальные фонды и другие.

Для подвектора социальных компонентов используются ярусы иерархической пирамиды А. Маслоу. Основными уровнями пирамиды являются следующие.

I. Потребности самоактуализации. Стремление реализации своих способностей, к развитию собственной личности.

II. Эстетические потребности. Стремление к гармонии, симметрии, порядку, красоте.

III. Познавательные потребности. Стремление много знать, уметь, понимать, исследовать.

IV. Потребности уважения, почитания. Стремление к компетентности, достижению успехов, одобрению, признанию авторитета.

V. Потребность в принадлежности и любви. Стремление принадлежать к общности, находиться рядом с людьми, быть признанным и принятым ими.

VI. Потребности в безопасности. Стремление чувствовать себя защищенным, избавиться от страха и жизненных неудач.

VII. Физиологические (органические) потребности (голод, жажда, инстинкты и другие).

Эта иерархическая пирамида характерна тем, что без удовлетворения потребностей нижнего уровня, базовых, нет необходимости в удовлетворении потребностей более высокого уровня. Также следует отметить, что такая иерархическая схема применима как к отдельному человеку, так и к коллективу исполнителей.

Среди вариантов модели А. Маслоу для ИСГК целесообразно остановиться на варианте из четырёх основных уровней, наиболее значимых для

этой системы. В выбранной модели (рис. 1) основными уровнями являются следующие потребности:

- духовные, удовлетворённость достигнутыми результатами и стремление к большим достижениям;

- социальная удовлетворённость, обеспечение необходимыми социальными благами;

- уверенность в будущем, уверенность в надёжности общественно-политического строя, процветании и развитии своей организации,

- потребность выживания, безопасности.

Таким образом, подвектор социальных потребностей имеет вид:

Я с = дух , ^ уд , ^ ув, ^ ВЫж)' (7)

Для связи между количественным и качественным представлениями этих компонентов предлагается использовать разработанную таблицу количественных оценок (табл. 3). Группу социальных компонентов в соответствии с принципом иерархии потребностей А. Маслоу предлагается представить обобщённой нормированной скалярной величиной:

Я с = 0,25 Я ВЬ]Ж (1 + К ув (1 + Л уд (1 + Я дух))). (8)

Динамика процессов, протекающих в предметной области, предлагается представлять дифференциальными уравнениями состояния. Эти уравнения описывают обмен ресурсами между элементами ИСТК с учётом управляющих воздействий, определённых в информационной области отношений.

Таблица 3

Количественная оценка качественных показателей_

Соответствие предъявляемым Количественное

Требованиям значение

1) максимально возможное соответствие 1,0

2) удовлетворение всем требованиям

3) удовлетворение существенным требованиям 0,75

и наличие некоторых специальных возмож-

ностей

4) удовлетворение только существенным требо- 0,625

ваниям

5) имеют место несоответствия существенным 0,5

требованиям

6) неудовлетворение даже минимальным требо- 0,25

ваниям 0

Из векторной функции прямого ресурсного отображения получить обратную в общем случае довольно затруднительно, поскольку размерность внешнего вектора ресурсов меньше, чем размерность внутреннего вектора ресурсов. Для каждого вида функций отображения требуется отдельный анализ. Но в линейном случае эта задача решается пропорциональным распределением ресурса.

<

м

Я"; = К""

(9)

где у, - коэффициент долевого участия ]-го ресурса в совокупности п ресурсов элемента.

При мультипликативном формировании вектора ресурсов задача решается следующим образом:

с

я""' = п я", >1

1 „ (10) К'", =(1Г")® ,[Ер;=1],

где (3, - коэффициент мультипликативного вклада /-го ресурса в формирование внешнего вектора ресурсов.

В случае нелинейного немультипликативного распределения вектора внешних ресурсов задача распределения ресурсов решается динамически, с учётом текущего вклада каждого из внутренних ресурсов в формирование обобщённого вектора.

Наиболее полно и в достаточной степени адекватно реальным процессам в предметной области отношений ИСТК для описания динамики вектора состояния его элементов и объекта управления могут быть использованы дифференциальные уравнения с квадратичной правой частью. Для ]'-го элемента ИСТК динамика вектора ресурсов после преобразования непрерывной формы в уравнения в конечных разностях описывается следующим образом:

/4 = Кы + М(Е-А1ФЯ (!ь Яы)УХ1(Кы, Ь-д + (к), (11)

где ¿И

- интервал квантования по времени;

\'к(к) - виннеровский шум процесса Л'д/, получаемый интегрированием гауссовского шума с использованием симметризованной формы стохастических интегралов.

В выражении (И) значения матрицы Фц(Ь. Кк-О следующие:

aiiri + 2 aijrj ахгг2

j=i

Ф =

а22Гг + Za2j rj ••• а2» Гш у

3 = 1 '

(12)

а г + £ а . г.

mm т mj j

j=l

где ai. = ctjjUjj - коэффициент влияния у-го элемента ИСГК на /-Й,

Uij - формируемые в информационном пространстве управляющие воздействия.

Таким образом, выражения (11), (12) определяют динамику вектора состояния элемента ИСТК в конечных разностях. Ресурсный обмен, проходящий в предметной области отношений, подчиняется управляющим воздействиям, вырабатываемым в информационной области отношений. Математически управляющие воздействия определяются видом матрицы Aj, индивидуальной для каждого элемента ИСТК.

Используем известное приближённое решение A.B. Сухова для обобщённой энтропии покрытия. Значения векторов управляющих коэффициентов u(D, I) в предметной области отношений для ПП и u/R, t) для элементов системы принимают следующие значения:

[u'{D,t)=H0IJ(D,ttibH0IJk)[v (ЛЯ0/ДЛЯ0/, Л['

(13)

где Hoj-условная энтропия покрытия от ПП по j-му элементу;

ДHqjh - приращение условной энтропии покрытия на к-и шаге итерационного процесса;

H"m„j - максимально допустимое значение действительной составляющей обобщённой энтропии покрытия j-го элемента из ограничений задачи;

AJÍ),- приращение условной обобщённой энтропии покрытия у-го элемента по /-й элементу;

Д//"//* ~ приращение условной обобщённой энтропии покрытия у-го

элемента на к-м шаге итерационного процесса.

Методика оптимизации информационного состояния /7/7, основанная на оптимальном оценивании состояния в предметной области отношений, заключается в выполнении следующих этапов.

1. Решается задача соответствия входных и выходных параметров (10) и определяются входные параметры узла системы.

2. Для динамической модели в области ресурсного обмена задаются динамические коэффициенты стохастических дифференциальных уравнений (И).

3. Вычисляется динамическая матрица ресурсного обмена Фд (h, Rk.¡)

(12).

4. Вычисляются динамические управляющие коэффициенты на к-м шаге (13).

5. Определяются выходные параметры системы (10) и рассчитывается обобщённая информация на к-м шаге.

6. Определяется информационное состояние всех элементов ИСГК в терминах энтропии покрытия.

В третьей главе диссертации рассмотрена динамика информационных потоков в ИСГК.

В процессе взаимодействия происходит обмен ресурсами между элементами ИСГК и объектом управления. При ресурсном обмене изменение обобщённой энтропии покрытия элемента ИСГК отражает его информационное участие во взаимодействии элементов. Изменение энтропии покрытия объекта управления характеризует степень достижения им нормативного состояния на рассматриваемом промежутке времени. Эффективность системы оценивается по количеству информации объекта управления. Эта величина определяется как разность априорной и апостериорной энтропии покрытия.

Участие элементов ИСГК описывается исходящими и входящими информационными потоками.

J" n¡j = Н° nij (ti) - Н° „ rj 0о) =-f „1 i (At), (14)

где At = t¡- to время информационного обмена.

Информационное участие элемента ИСГК на данном этапе жизненного цикла определяется его информационным взаимодействием со всеми связанными с ним элементами ИСГК и объектом управления

т т

Ioni Ш) - ZfnU (At) = Z(H°„¡j (íj) - H° „¡j (to)), (15)

где m - количество элементов, участвующих в информационном обмене с /-м

элементом.

В выражении (15) присутствует слагаемое /' п ¡/¡, которое характеризует затраты /-го элемента на самообеспечение.

Рассмотрим информационные потоки в непрерывном времени. Для этого представим ИСГК в виде совокупности сосредоточенных объёмов, узлов, представляющим собой элементы ИСГК, и связей между ними, по которым осуществляется информационный обмен. Тогда на основании (14) поток от узла /' к узлу j представляет собой производную

f „u(t) =dtfnи (t) /dt =-Г„j,(t), (16)

В этом случае расхождение информационного поля в узле г

dH° п i re dH° п i an

divlni =---, (17)

dt dt

где H" n i re - действительная часть обобщённой энтропии покрытия; ff n i ¡m ~ мнимая часть обобщённой энтропии покрытия.

Расхождение информационного поля характеризует генераторные или потребительские свойства элемента /'. Если div /, > 0, то этот элемент является источником в информационном обмене, то есть генератором. Если div /; < О, то этот элемент является стоком, потребителем в информационном обмене. В случае, когда div // = 0, элемент принимает нейтральное участие в информационном обмене.

Система управления должна стремиться к обеспечению нулевого потенциала (div = 0) для каждого элемента, так как в этом случае обеспечивается соответствие элемента требованиям системы по участию в отработке объекта управления и возможностям собственного нормального функционирования, т.е. это состояние элемента характеризует его как выполнившим текущие задачи в системе управления.

Для каждого элемента могут быть получены фазовые портреты, как в ракурсах всей системы управления, так и частные, по взаимодействию с отдельными другими элементами. По фазовым портретам могут быть определены тенденции по развитию состояния элемента на ближайшее будущее. Система управления в качестве дополнительных задач, обеспечивающих решение главной целевой задачи по управлению объектом, должна стремиться к обеспечению минимальных значений обобщённой энтропии покрытия для элементов системы.

На основании свойства аддитивности для энтропии покрытия и обобщённой энтропии покрытия представим информацию через совокупность условных энтропий покрытия. При этом учтём, что линейные свойства энтропии покрытия при преобразованиях определяют линейный характер уравнений, а также то, что приращение энтропии покрытия связано с имеющимися ресурсами, т.е. это приращение определяется прежней энтропией покрытия:

IГ,,, ,(! I Л1) //'„,, (I) ■+ А !{'„, , (!) А/. (18)

Перегруппируем члены и устремим приращение по времени А1 к нулю:

1{'пи(1 + А1)-Н'„,,(!) Пт -- А //'„,, (!). (19)

На основании (18) при предельном переходе получаем

т (Щ* п I у

!„, = I-"А //'„, , (20)

Л

Тогда общим решением этого уравнения будет

т

I ¡(а) =а0+ ехр[а, ИГ (21)

где а0, Л/ - некоторые константы.

Для комплексного вида обобщённой энтропии покрытия имеем совокупность гармонических решений с гармоническими функциями степени т

L ¡ (а) = а0 + Пехр [а, \Н„ у[/ л-

J

X [(cos arg Hn ij + i sin arg II,,, )], (22)

где arg H„¡J — аргумент комплексной величины.

Таким образом, решением является сложная гармоническая функция с квазипериодическими решениями. Такие решения образуют системы с неравновесным порядком.

Физическим смыслом решения (22) является текущая информация покрытия для элемента ИСГК, которая, в соответствии с решаемыми ресурсными задачами, может принимать и отрицательные значения.

Иначе решения (21), (22) можно представить в виде

L(a, t)=a0 + ехр[a, \Hn (t)\] exp[i a, arg(H„ {!))/. (23)

Тогда при a¡ < 0, arg(H„ (t)) > 0 и при a¡ < 0, arg(Hn (t)) < 0 решение имеет устойчивый фокус. Необходимо отметить, что точка устойчивого фокуса, равная нулю, характеризует стабильное функционирование элемента ИСГК.

Для случая а, > 0, arg(Hn (I)) > 0 и при а, > 0, arg(H„ (í)) < 0 решение для элемента ИСГК является неустойчивым. Реально это приводит или к необоснованному потреблению ресурсов, или уничтожению имеющегося необходимого запаса, что определяется соотношением действительной и мнимой частей значения обобщённой энтропии покрытия.

Система управления вырабатывает управляющие воздействия для текущей коррекции информационных потоков. Решение задачи оптимального управления проводится в соответствии с поставленным целевым функционалом и уравнениями ограничений для объекта управления.

В выражении (31) вещественная часть определяет характер изменений информационного потока с учётом совокупности информационных отношений элемента ИСГК с другими элементами. На участках устойчивого функционирования элемента энтропия покрытия имеет колебательный характер с ограниченной амплитудой. Из (23) следует, что вещественная часть, характеризующая избыток ресурса, равна

т

Re L , (а) =а0 + Пexp [a,\Hn ,¡\] cos arg Н„ч . (24)

j-t

В соответствие с этим выражением энтропия покрытия элемента представляет собой квазигармонический процесс, образованный совокупностью из m гармоник. Стремление этой величины к нулю определяет оптимальное распределение ресурсов в системе. И наоборот, возрастание этой величины говорит о неоптимальном распределении ресурсов.

Мнимая часть характеризует степень недостаточности ресурсов по отношению к нормативному значению. Резкое возрастание этой величины может привести к выключению элемента из системы управления, что, в свою очередь, может привести к общей катастрофе функционирования системы и к невыполнению поставленной задачи по отработке сложного технического комплекса.

На основании выражения (23) мнимая часть имеет значение

т

Im L ¡ (а) = а0 + Пехр [а, \Н„ ч\] sin arg Н„,,. (25)

j'i

Методика оптимизации информационных потоков в ИСГК на основе обеспечения устойчивости функционирования элементов ИСГК в информационном пространстве заключается в выполнении следующих операций.

1. В предметной области отношений проводится оптимальная оценка состояния элемента ИСГК на текущем интервале времени.

2. Вычисляется обобщённая энтропия покрытия элемента.

3. С использованием выражения (23) проводится расчёт информационного состояния элемента.

4. Выделяются действительная (24) и мнимая (25) части информационного состояния элемента ИСГК.

5. На комплексной плоскости соединяются координаты предыдущего и настоящего информационного состояния элемента ИСГК и в соответствии с текущими значениями а1 < 0, (!)) в выражении (23) оцениваетсся

степень устойчивости поведения элемента ИСГК.

6- Текущие значения действительной и мнимой составляющих информационного состояния элемента ИСГК в соответствии с выводами п. 5 используются для выводов об избыточности или недостатке компонентов вектора ресурсов элемента.

В четвёртой главе проведены синтез и исследование компьютерной динамической модели описания информационных процессов в ИСГК с выработкой рекомендаций по организации функционирования ИСГК. В этих целях реализован так называемый каркас имитационной модели, который позволил получить необходимые экспериментальные подтверждения теоретическим результатам.

В случае реального применения предлагаемого теоретического подхода ожидается существенная экономия расхода имеющихся в системе ресурсов, обусловленная применением принципов оптимального управления, поскольку известно, что любая траектория движения системы, не удовлетворяющая минимуму целевого функционала, приводит к увеличению его значения и, соответственно, к увеличению текущих значений энтропии покрытия, а значит, к нерациональному расходовнию информационного ресурса.

Информационный подход был применён к обустройству и оснащенности автомобильных ПП.

Обустройство государственной границы - это сложнейшая стратегическая задача для любого государства. В целом обустройство границы можно разделить на два направления: эксплуатация и строительство.

Первым этапом обустройства объектов государственной границы является строительство и реконструкция объектов (капитальное строительство) государственной границы - это деятельность, направленная на создание новых и модернизацию имеющихся основных сооружений, объектов или специальных инженерно-технических систем. К капитальному строительству относится выполнение проектных и изыскательских работ, подготовка технической документации, необходимой для осуществления строительных, монтажных, пусконаладочных и других специальных капитальных работ. Этот этап может быть представлен последовательно выполняемыми итерациями процесса.

В качестве технических показателей ПП были выбраны метрологические средства.

В соответствии с заданной классификацией ПП оснащаются необходимыми измерительными средствами, обеспечивающими их целевое функционирование. Были рассмотрены метрологические средства постоянных автомобильных ПП. Характеристика основных измерительных средств:

1. Весы автомобильные электронные:

а) фундаментные. Весы монтируются на подготовленный бетонный фундамент-основание, спроектированный в соответствии со свойствами грунта. Заезд на весы осуществляется по металлическим, бетонным или комбинированным пандусам;

б) бесфундаментные. Для монтажа весов используются от 2 до 5 дорожных плит размером не менее 4000x800x140 мм. Опоры датчиков связываются разборной рамой для предотвращения их смещения. Весы этого типа не требуют фундаментных работ, возможен их быстрый ввод в эксплуатацию. Существуют ограничения по установке для определенных климатических зон и типов грунтов;

в) врезные. Весы монтируются на одном уровне с поверхностью земли на фундамент-основание, организуется дренажная система. Врезные весы не требуют пандусов и боковых ограждений, что существенно уменьшает занимаемую ими площадь и позволяет легко маневрировать при заезде.

Обобщённая энтропия покрытия автомобильных весов может принимать значения в пределах 0... 5 бит в мнимой части и в пределах 0...3 бит в действительной части.

2. Инспекционно-досмотровые комплексы (ИДК) предназначены для интроскопии крупногабаритных объектов таможенного контроля:

- ИДК для интроскопии легковых автотранспортных средств (легковых автомашин, микроавтобусов, прицепов, передвижных дач, отдельных грузовых упаковок, не превышающих веса порядка 3-х тонн и размеров легковых автомашин);

- ИДК для интроскопии крупногабаритных объектов, предназначенных для перевозки грузов (контейнеров, трейлеров, рефрижераторов, железнодорожных вагонов).

Тактико-технические характеристики ИДК должны обеспечить: возможность визуализации содержимого указанных видов объектов, распознавание находящихся в них различных устройств, предметов и веществ; определение загруженности объема контейнера товарами и осмотр пространственного расположения содержимого; координатную привязку обнаруженных предметов к местам расположения; возможность распознавания изделий из различных материалов (металлы, органические вещества); возможность просмотра конструктивных полостей и пространств между стенками, потолочными перекрытиями и полом контейнеров, узлов автомашин и железнодорожных вагонов.

Анализ инспекционно-досмотровых комплексов приводит к значениям обобщённой энтропии покрытия в пределах 0... 7 бит в мнимой части и в пределах 0...8,5 бит в действительной части, что связано с особенностями функционирования данного ПП - потоком транспорта, региональными особенностями его местоположения.

В качестве примера, демонстрирующего возможности предлагаемого информационного подхода, рассмотрим поведение информационной системы с двухкомпонентным вектором состояния при обустройстве автомобиль-

ного ПП. На рис. 2 представлены результаты моделирования работы такой системы, состоящей из трёх элементов - объекта управления - ПП с номером О, и субъектов - управляемая система (исполнитель работ) с номером 1 и управляющая система (руководитель работ) с номером 2. На верхнем рисунке 1а приведено изменение действительной составляющей энтропии покрытия, а на нижнем 16-мнимой.

2(1

'ЧНрр, 1Цпр2,„

ЦНр1,к)з 1ш(Нр2,к

а)

б)

Рис. 2. Динамика энтропии покрытия элементов от количества шагов эксперимента:

а) динамика действительной составляющей,

б) динамика мнимой составляющей.

Необходимо напомнить, что для объекта управления в данной модели применена энтропия покрытия, которая не может иметь мнимую составляющую. А для субъектов - обобщённая энтропия покрытия с действительной и мнимой составляющими.

На рис. 2а видно, что энтропия покрытия объекта управления Нр0 достигает нулевого значения за 60 итерационных шагов. Это характеризует выполнение задачи управления - вывод состояния ПП за 60 итераций процесса

на необходимый технический уровень. При этом достигает нулевого значения ЭП второго участника (управляемой системы) Нр2, характеризующая полное израсходование имеющихся ресурсов. Первый участник за счёт определения ему возможности самостоятельного восстановления ресурсов сохраняет способности к продолжению процесса функционирования ИСГК (Я/?1>0)и, в том числе, по восстановлению ресурсов второго участника.

На рис. 26 видно, что примерно с 20 шага итерации мнимая составляющая ЭП второго участника значительно возрастает, что характеризует его работу в условиях нехватки отдельных компонентов вектора ресурсов, то же происходит с первым участником после 40 шага итерации.

Значения ЭП в конце работы ИСГК и состояния элементов ИСГК:

1) энтропия покрытия объекта управления Нр0 = 0 - задача управления выполнена полностью, состояние ПП соответствует нормативным показателям;

2) обобщённая энтропия покрытия первого участника:

- действительная часть Ке(Ир\) > 0 - отдельные компоненты вектора состояния превышают нормативные значения, не все ресурсы исчерпаны;

- мнимая часть 1т(Нр{) > 0 - отдельные компоненты вектора состояния ниже нормативных значений, недостаток отдельных компонентов вектора ресурсов;

3) обобщённая энтропия покрытия второго участника:

- действительная часть Не(Нр\) = 0- все компоненты вектора состояния не выше нормативных значений, все ресурсы исчерпаны;

- мнимая часть 1т(Нр{) > 0 - отдельные компоненты вектора состояния ниже нормативных значений, явный недостаток отдельных компонентов вектора ресурсов.

Важно, что на этих рисунках показана возможность решению главной задачи системы - достижения энтропии покрытия объекта нулевого значения и выработаны соответствующие управляющие воздействия в информационном пространстве, приводящие к достижению требуемого эффекта.

Информационное состояние элементов ИСГК представлено на рис. 3, 4 - динамика энтропии покрытия и на рис. 5, 6 информации покрытия (ИП) для субъектов ИС (с номерами 1 и 2).

Фазовые портреты на рис. 3, 4 поясняют работу и настройку имитационной модели, процессы ресурсного управления. На рис. 3 видно, что второй участник работает в условиях средней недостаточности ресурсов 1т(Нр2) ~ 2,5 бит, а по рис. 3 видно, что первый участник работает в условиях среднего превышения нормативных значений ресурсов 1ш(Нр1) = 7,5 бит.

На рис. 5, 6 указывается разброс значений информационных состояний участников. Информационное состояние первого участника достаточно регулярно распределено по комплексной плоскости, действительные значения информационных состояний лежат в пределах от -9 до 7,5 бит, мнимые значения значительно меньше и лежат в пределах от -0,4 до 0,3 бит. Такой ин-

формациониый фазовый портрет характеризует достаточно стабильную работу первого участника.

М"Р2.к)

Рис. 3. Динамика обобщённой энтропии покрытия управляющей системы

Рис. 4. Динамика обобщённой энтропии покрытия управляемой системы

Рис. 5. Динамика обобщённой информации покрытия управляемой системы

ЦНр21к)-Яе(Нр2>к_1)

Рис. 6. Динамика обобщённой информации покрытия управляющей системы

Информационный фазовый портрет второго участника имеет сравнимый по величине значений разброс информационных состояний по действительной и мнимой координатам, следовательно, он характеризует сравнимый по недостатку и пополнению ресурсов режим работы.

Из рис. 5, 6 можно сделать вывод о том, что средние значения предельных множеств на информационных фазовых портретах близки к нулевым значениям, что характеризует эффективную работу системы управления в целом и устойчивость работы её элементов.

Данный экспериментальный результат соответствует выводам, приведённым выше при анализе выражения (23) и подтверждает устойчивость функционирования информационной системы управления контролем на государственной границе РФ.

Результаты моделирования получены с использованием программного продукта МаШсас1-15.

В заключении излагаются основные выводы, полученные в процессе подготовки и написания диссертационного исследования, а также даны практические рекомендации по совершенствованию управления состоянием пунктов пропуска на государственной границе и повышению устойчивости функционирования обеспечивающих элементов информационной системы государственной контроля.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Прокопенко B.C. Информационная оценка качества функционирования пунктов пропуска через государственную границу Российской Федерации // Транспортное дело России, 2011. - № 2. - 0,7 п.л.

2. Прокопенко B.C., Почуев С.И. Система управления сложным техническим комплексом в информационном пространстве // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2011. - № 12. - 0,7 п.л. (лично -0,4 п.л.).

3. Прокопенко B.C., Сухов A.B. Измерение информации в эргасисте-мах//Транспортное дело России, 2011.-№ 2.-0,8 п.л. (лично-0,4 п.л.).

4. Прокопенко B.C., Сухов A.B., Новиков О.П. Динамика информационных потоков в системе управления сложным техническим комплексом в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия // Межотраслевая информационная служба ФГУП ВИМИ, 2012. - № 1. - 1,0 п.л. (лично-0,4 п.л.).

Прочие публикации по теме диссертации

5. Прокопенко B.C., Сухов A.B. Информационное пространство отношений элементов информационной системы управления сложным техническим комплексом // Сборник трудов «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2011. - Вып. № 12. - 0,5 пл. (лично - 0,3 п.л.).

6. Прокопенко B.C., Сухов A.B., Савилкин С.Б. Динамика информационных потоков в системе управления сложным техническим комплексом // Сборник трудов «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2011. - Вып. № 12.

- 0,5 п.л. (лично - 0,2 п.л.).

7. Прокопенко B.C., Сухов A.B., Осипов В.В., Ерёменко В.В. Оптимизация состояния информационного ресурса информационной системы // Сборник трудов «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2011. - Вып. № 12.

- 0,5 п.л. (лично - 0,2 п.л.).

8. Прокопенко B.C., Сухов A.B. Оптимизация информационного ресурса в системе управления сложным техническим комплексом, в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия // Информационно-экономические аспекты стандартизации и технического регулирования: Интернет-журнал, 2011. - № 1. - 0,8 п.л. (лично - 0,4 п.л.). -http://iea.gostinfo.ru/magazine_2011_01%281%29.html.

ПРОКОПЕНКО Владимир Сергеевич

Развитие информационного обеспечения пунктов пропуска на государственной границе Российской Федерации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.02.12. Формат 60x84 1/16 Бум. офсетная Печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 033

Издательство «Московский печатник» 123995, Москва, Гранатный пер., д. 4, ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ»

61 12-5/2529

РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ИНФОРМАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И ОЦЕНКЕ СООТВЕТСТВИЯ

На правах рукописи УДК 614:33^^.006.3

ПРОКОПЕНКО Владимир Сергеевич

РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПУНКТОВ ПРОПУСКА НА ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГРАНИЦЕ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

05.25.05

Информационные системы и процессы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сухов А.В.

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................... 4

ВВЕДЕНИЕ....................................................... 6

Глава 1. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОПУСКНЫХ ПУНКТОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГРАНИЦЫ КАК ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ........................ 13

1.1. Организация государственного контроля на границе

Российской Федерации......................................... 13

1.2 Функциональный анализ пунктов пропуска через государственную границу Российской Федерации....... 24

1.3. Технологические операции по государственному контролю, выполняемые на автомобильных пунктах пропуска........................................................... 40

1.4. Анализ понятия «информация» для информационной системы государственного контроля с позиций управления информационным ресурсом её элементов 56

1.5. Постановка и математическая формулировка задачи

оптимального информационного управления............. 69

Выводы по главе................................................. 72

Глава 2. ИНФОРМАЦИОННО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ

МОДЕЛЬ ОПИСАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ В ИНФОРМАЦИОННОМ ПРОСТРАНСТВЕ, ОСНОВАННОМ НА ЭНТРОПИИ ПОКРЫТИЯ..................................... 74

2.1. Информационное пространство информационной системы государственного контроля, основанное на энтропии покрытия.............................................. 74

2.2. Динамика вектора состояния элементов информационной системы государственного контроля 78

2.3 Методика оптимизации информационного состояния

пунктов пропуска................................................ 83

Выводы по главе................................................. 85

Глава 3. ДИНАМИКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ.................................... 88

3.1. Динамика информационных потоков в узлах

информационной системы..................................... 88

3.2. Методика оптимизации информационных потоков в информационной системе государственного контроля на основе обеспечения устойчивости функционирования ее элементов в информационном пространстве...................................................... 95

3.3. Оптимальная оценка вектора состояния пунктов пропуска в предметной области.............................. 108

3.4. Анализ задач оптимизации информационного состояния, решаемых с применением энтропии

покрытия.......................................................... 125

Выводы по главе................................................. 128

Глава 4. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ...... 130

4.1. Информационный подход к обустройству и оснащенности автомобильных пунктов пропуска........ 130

4.2. Оснащение автомобильных пунктов пропуска............ 131

4.3. Имитационная модель информационной системы....... 149

Выводы по главе................................................. 155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 157

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................ 162

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПВ - апостериорная плотность вероятности;

АПП - автомобильный пункт пропуска;

АСУ - автоматизированная система управления;

ВАЭ - весы автомобильные электрические;

ИВ - информационное воздействие;

ИДК - инспекционно-досмотровый комплекс;

ИМ - информационная модель;

ИО - информационное обеспечение;

ИП - измерительный пункт;

ИР - информационный ресурс;

ИС - информационная система;

ИСГК - информационная система государственного контроля;

КМО - ковариационная матрица ошибок;

КМП - ковариационная матрица погрешностей;

КОЦП - квазиоптимальный цифровой приемник;

КСА - комплекс средств автоматизации;

НМД - накопитель на магнитном диске;

ОИПП - обобщённый информационный поток покрытия;

ОП - отношение правдоподобия;

ОЭП - обобщённая энтропия покрытия;

ПП - пункт пропуска;

ППО - прикладное программное обеспечение;

СИ - средства измерений;

СТК - сложный технический комплекс;

СТС - социально-техническая система;

СУ - система управления;

ТППИ - технологический процесс переработки информации;

ТТЗ - тактико-техническое задание;

ТТХ - тактико-технические характеристики;

ФМ-ШПС - фазоманипулированный шумоподобный сигнал;

ЦСФ - цифровой следящий фильтр;

ЭП - энтропия покрытия;

МаШСАБ - среда программирования.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы исследования. В настоящее время в связи с развитием экономических связей Российской Федерации с зарубежными странами как никогда требуется чёткая организация государственного контроля (пограничного, таможенного, санитарно-карантинного, потребительского и др.) на пунктах пропуска через государственную границу (ПП), что объективно предполагает оптимизацию информационных потоков, циркулирующих в информационной системе государственного контроля (ИСГК) на государственной границе в целевом информационном пространстве, а также использование методологии своевременного представления информации и принятия управленческих решений.

При функционировании ИСГК реализуются такие функции, как сбор, анализ информации о состоянии объекта, принятие решения по оптимальному управлению поведением объекта в целевом, информационном пространстве, выдача информационно-управляющих решений на объект и взаимодействие с внешней средой и другими системами. При этом процессы приёма, обработки и выдачи информации происходят преимущественно с использованием ЭВМ. В процессе функционирования такой ИСГК основным компонентом является управляющая система, ядром которой является лицо, принимающее решения (ЛПР). Такая система управления является социально-технической организационной структурой, относящейся к классу эргатических систем (эргасистем). При этом информационное обеспечение на пунктах пропуска через государственную границу может рассматриваться как диалектическая совокупность единой системы классификации и кодирования информации и унифицированных систем документации, представляемых с точки зрения единого информационного подхода, использующего энтропию покрытия.

Анализ показывает, что к информационному обеспечению пунктов пропуска через государственную границу предъявляются два основополагающих требования: с одной стороны, оно должно обеспечивать максимальную эффективность работы при организации пропуска грузопотоков, предполагающую минимизацию времени контроля; с другой -необходимо реализовывать выполнение требований действующего законодательства на грузоперевозки в полном объеме, которые являются ограничивающими факторами при организации пропуска через государственную границу. Необходимость выполнения указанных требований условиях, когда с расширением экономических связей нашей страны грузопотоки через государственную границу перманентно и динамично нарастают, актуализируется задача развития информационного обеспечения пунктов пропуска на государственной границе Российской Федерации, что объективно предполагает разработку соответствующего методического аппарата.

Степень научной разработанности проблемы. Описание функционирования эргасистем стало возможным с конца ХХ-го века, когда сформировалось достаточно много научных направлений в областях теории информации, теории оптимального управления и оценивания, математической экономики. К этому в первую очередь относится достаточно мощный математический аппарат, основанный на работах по оптимальному управлению JI. Е. Понтрягина и коллектива его учеников. Также развитие получила теория оптимального оценивания состояний - оптимальной нелинейной фильтрации в работах P.J1. Стратоновича [45], В.И. Тихонова [53-57], В.Н. Харисова, В.А. Смирнова, В.В. Горшкова, В.И. Прыткова, В.В. Бетанова и других. Информационный аспект рассматриваемых вопросов охватывают работы А.Н. Колмогорова [23-24], К. Шеннона [65], P.JI. Стратоновича [46], С. Кульбака [28], А.Н. Мартьянова [32], Ф.С. Варайского [16], H.H. Моисеева [33], A.B. Чечкина [64], Д.А. Ловцова [30], A.B. Сухова [35-38, 40, 47-50] и др.. Экономическое обоснование

решаемых вопросов представлено в работах К. Кастеллани [20], Дж. Касти [21], М.И.Ломакина [31], B.C. Королюк [25-27], Б.Л.Кучина [29], Е.В. Якушевой [29], В.В. Цыганова [63] и других. Вопросы информационного обеспечения управления рассматривались в работах Г.А. Титаренко, М.Я. Клепцова, Л.А Вдовенко, А.Н. Романова, Б.Е. Одинцова, И.Н. Денисова, Е.А. Финченко, Г.С. Лебедева, Д.А. Ловцова, Б.И. Глазова и других.

Вместе с тем анализ показывает, что, не смотря на большое количество работ, посвященных созданию и развитию систем информационного обеспечения процессов управления, вопросы создания соответствующего теоретико-методического аппарата развития информационных систем с учетом конкретной специфики их функционирования на основе единого информационного подхода, использующего энтропию покрытия, в настоящее время не получили должного развития.

Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью разрешения противоречия между, с одной стороны, потребностью в минимизации времени контроля и необходимостью обеспечения выполнения в полном объеме требований законодательства РФ на грузоперевозки на ПП на государственной границе Российской Федерации, и с другой стороны - отсутствием соответствующего методического аппарата развития информационного обеспечения ПП на государственной границе, обеспечивающего представление информации в ИСГК с единых позиций, а также оптимизацию информационных процессов и информационных ресурсов.

Для разрешения данного противоречия может быть использован информационный, целевой подход к оценке потенциального качества функционирования таможенного контроля на ПП РФ, основанный на энтропии покрытия, характеризующей состояние таможенного контроля, обеспеченность и оснащённость системы таможенного контроля с позиций соответствия решению своих функциональных задач.

Актуальность данной проблемы её недостаточная проработанность определили тему, цель, объект, предмет исследования и научные задачи проведённого исследования, необходимые для решения указанной проблемной ситуации.

Объект и предмет исследования.

Объектом диссертационного исследования являются информационные процессы и информационный ресурс элементов ИСГК.

Предметом диссертационного исследования являются методы оптимизации информационных процессов и информационных ресурсов ИСГК.

Цель и задачи диссертационного исследования. В диссертационной работе поставлена цель: на основе представления информационной системы государственного контроля на государственной границе в целевом информационном пространстве, основанном на информационной мере -энтропии покрытия, решить научную задачу разработки методического инструментария развития информационного обеспечения пунктов пропуска, обеспечивающего оптимизацию информационных процессов и информационных ресурсов в ИСГК на основе представления информации в ИСГК с единых позиций, а также ресурсного состояния элементов ИСГК по результатам анализа динамики информационных потоков в узлах информационной системы государственного контроля.

Указанная научная задача декомпозируется на следующие задачи диссертационного исследования:

1) разработка информационно-математической модели состояния ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия в условиях решения таможенной службой РФ своих функциональных задач;

2) выработка оптимальных управляющих воздействий в информационной области отношений и реализация их в предметной области отношений при управлении состоянием ПИ;

3) синтез методики оптимизации информационных ресурсов элементов ИСГК;

4) разработка компьютерной динамической модели функционирования ИСГК при оптимальном управлении в целевом информационном пространстве.

Теоретическая и информационная основы исследования.

Теоретической основой исследования явились фундаментальные работы по теории информации (К. Шеннона, Р. Л. Стратоновича), оптимального управления (Л.Е. Понтрягина) и труды в области математической экономики. Базовой основой проведённого исследования является информационный подход, основанный на энтропии покрытия, предложенный в работах A.B. Сухова, позволяющий решать задачи оптимального управления ИСГК в информационном пространстве.

В качестве информационной и статистической базы проведённого исследования послужили данные по системе пограничной службы ФСБ России.

Научная новизна диссертационного исследования. Научная новизна исследования заключается в том, что в основе решения задачи оптимизации информационных потоков и информационных ресурсов лежит анализ сходимости и расходимости информационных потоков в узлах ИСГК. При этом ресурсный обмен элементов ИСГК представлен через оценку изменения состояния элементов с использованием обобщённой энтропии покрытия, а эффективность информационной системы оценивается по количеству информации объекта управления. Участие элементов при этом характеризуется исходящими и входящими информационными потоками, а устойчивость характеризуется расхождением информационного поля в узле -дивергенцией обобщённой информации в узле.

Научная новизна содержится в следующих результатах, выносимых на защиту.

1. Информационно-математическая модель описания информационных процессов в ИСГК и информационных ресурсов элементов и объекта ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия, использующая отображение динамических процессов в предметной, ресурсной области, описываемых стохастическими дифференциальными уравнениями состояния, в информационную область через дивергенцию обобщённой информации узла и обеспечивающая возможность оптимального решения всеми службами государственных контрольных органов Российской Федерации комплекса своих функциональных задач.

2. Методика оптимизации информационного состояния ПП, основанная на оптимальном оценивании состояния в предметной области отношений, что позволяет сформировать отображение динамики этого состояния в информационное пространство отношений в смысле обеспечения информационной устойчивости узла, реализуемая далее в предметной области отношений обратным информационным отображением.

3. Методика оптимизации информационных ресурсов элементов ИСГК в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия и заключающаяся в анализе дивергенции информационных потоков элемента, построения фазового портрета его информационного состояния, оценке устойчивости элемента ИСГК и нахождении оптимального информационного ресурсного состояния.

4. Компьютерная динамическая модель описания информационных процессов в ИСГК, позволяющая на основе оценки реального состояния ПП, использующей аппарат оптимальной нелинейной фильтрации Стратоновича-Тихонова, получить оценку состояния ПП в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия, и далее выработать оптимальные управляющие воздействия, с целевых позиций организующие поведение ПП в предметной области отношений.

Практическая значимость исследования. Совокупность выводов и предложений, содержащихся в диссертационном исследовании, может быть использована при решении таких практических задач, как оценка технического состояния ПП, выработка рекомендаций по его техническому и кадровому дооснащению в условиях возрастающего потока клиентов, или частичному демонтажу технической оснащённости и секвестированию управленческого персонала в случае недостаточной востребованности.

Работа может быть использована как основа для дальнейшей научной разработки проблематики развития информационного обеспечения деятельности органов таможенного контроля Российской Федерации.

Апробация результатов и публикации. Основные теоретические положения и выводы диссертации изложены в семи публикациях [34-41] общим объёмом 5,5 п.л. (авторский объем - 3,0 пл.), в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 4 статьи общим объёмом 3,2 пл. (авторский объем - 1,9 пл.). Отдельные положения диссертационного исследования получили апробацию в ходе учебных занятий в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах печатного текста, включает 7 таблиц, 25 рисунков и состоит из оглавления, введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка, в котором указаны 75 наименований.

Глава 1. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОПУСКНЫХ ПУНКТОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГРАНИЦЫ КАК ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

1.1. О