автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Математическое обеспечение информационных систем мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем

На правах рукописи

005051862

Шарай Вячеслав Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар -2013

18 АПР 2013

005051862

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Финько Олег Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

декан факультета компьютерных технологий и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Атрощенко Валерий Александрович

кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры № 6 Филиал Военной академии связи, (г. Краснодар) Шарифуллин Сергей Равильевич

Ведущая организация: Институт информационных технологий и

телекоммуникаций ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Защита диссертации состоится « 27 » марта 2013 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2А, корпус «Г», аудитория Г-248

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Автореферат разослан « 22» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной подсистемой автоматизированной системы управления сложной технической системой (ТС) является подсистема мониторинга1. От качества функционирования подсистемы мониторинга зависит достоверность информации о текущем состоянии ТС, которая используется для принятия решений при управлении контролируемой ТС.

Современные ТС относятся к категории сложных систем2. Примерами сложных ТС являются: объекты нефтегазовой промышленности, энергосистемы (в т. ч. с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии), системы релейной защиты и автоматики, автоматизированные системы обработки информации, системы управления ТС и т.д.

Так как в период эксплуатации ТС подвержена изменению состояния, то необходим анализ надежности и безопасности ТС. Возможны следующие состояния ТС: надежно и безопасно, надежно и небезопасно, ненадежно и безопасно, ненадежно и небезопасно. Изменение состояния надежности ТС связано с переходом ТС в состояние отказа или с переходом ТС в предотказные состояния (ПС). Отказ ТС характеризуются значением ущерба, который может быть нанесен при его наступлении (ущерб от аварии на АЭС «Фокусима» (Япония) составил 120 млдр. $3, ущерб от аварии на НПЗ «Амуай» (Венесуэла) составил 23 млн. $4). Если значение ущерба причиняемого при наступлении такого отказа превышает некоторое заранее определенное значение, то такой отказ называется опасным. Опасный отказ ТС может стать причиной аварии, катастрофы, и связан с изменением состояния безопасности ТС.

Для оценки надежности ТС используются показатели надежности. Для оценки безопасности ТС используются показатели безопасности, которые как совпадают с показателями надежности, так и имеются специальные показатели

'ГОСТ Р 22.1.12 - 2005 Безопасность а чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений, Общие требования. - М.: Стандартинформ, 2005. - 16 с.

1 Сложная система [Текст] // Большая советская энциклопедия: В 30 т. / "Советская энциклопедия", - М., 1969-

1978.

3 Затраты на покрытие ущерба от аварии на АЭС Фукусима могут превысить $ 120 млрд Рлектронный ресурс] //Российская атомное общество «Сверхновая энергетика» — 2012. — Режим доступа: ЬирУЛууулу.а^гшс-cncrgy.ru/news/20I2/ll/l2/37172

4 Венесуэльский НПЗ "Амуай", на котором произошел взрыв газа, вышел на 80 процентов мощности [Элек- / тронный ресурс] // Федеральное государственное унитарное предприятие "информационное телеграфное и агентство россии (ИТАР-ТАСС)" — 2012. — Режим доступа: Ы1р://»т™л1аг-1а55.сотЛ:11/529407.Ыт1

безопасности рассматриваемой ТС.

Проблемы анализа состояния надежности и безопасности ТС рассмотрены в трудах Ушакова И.А., Дружинина Г.В., Рябинина И.А., Можаева С.А. и др.

К важным типам сложных ТС, рассматриваемых в настоящей работе, являются системы, подверженные резким изменениям состояния вследствие стремительности протекания в них физических процессов и работающие в режимах близких к критическим (например, системы релейной защиты и автоматики и системы управления ядерными объектами) и имеющие требования по оперативности управления. Так, например, в системах релейной защиты и автоматики энергосистем требования по быстродействию ИСМ предусматривают значение интервала времени срабатывая систем релейной защиты = 0,02 сек5.

Таким образом, необходимо своевременно обнаруживать изменение состояния ТС. Одним из методов обнаружения изменения состояния ТС является мониторинг состояния ТС. Для современных ТС ввиду их технической сложности используются информационные системы мониторинга (ИСМ), которые, беря на себя повторяющиеся по регламенту работы операторов ТС функции, позволяют увеличить качество и оперативность управления ТС. Одним из видов ИСМ являются SCADA-системы6 (от англ. supervisory control and data acquisition - диспетчерское управление и сбор данных).

В состав ИСМ входит математическое обеспечение (интерпретатор значений контролируемых параметров элементов ТС в значения, характеризующие состояния ТС), позволяющее проводить анализ состояния системы. Увеличение количества связей, элементов, режимов и функций ТС приводит к усложнению ТС (образование обратных связей и невозможность сведения структуры ТС к структурам последовательного, параллельного и древовидного типов7). Учитывая объективную тенденцию к усложнению создаваемых человечеством ТС, можно утверждать, что при условном допущении о фиксированное™ уровня развития элементной базы и архитектуры ЭВМ, в перспективе характеристики ИСМ

5Фсдосесв, Л. М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. пособие для вузов [Текст] / А. М. Федосеев, М. Л. Федосеев. - 2-ое из., перераб. и доп. - М.: Энергоатом издат, 1992. - 528 с: ил.

Андреев, Е. R. SCADA-сисгемы: взгляд изнутри [Текст] / Е. Б. Андреев, 11. А. Куцевич, О. В. Синенко. - М.: Издательство «РТСофт», 2004. - 176 с.

Рябиннн, И. A. 11адсжность и безопасность структурно-сложных систем [Текст] / И. А. Рябинин. - СПб.: Политехника. 2000. - 248 с.

так или иначе перестанут удовлетворять, предъявляемым к ним требованиям, которые, в свою очередь, могут ужесточаться.

При достаточно большом значении времени реакции реакцииИСМ на изменение состояния ТС и при появлении в течение этого интервала времени редкого скачкообразного изменения (разрегулировки, отказы элементов ТС и т.д.) кон-

I Г Г Гг I Г "1 Г "V Крч™

{ * ]ХЯКШШС | [БИКИНИ { " ' рс.ЧКШШ [ реакции, [ {'СГ»КИМ(М ЗНЭ4е

.1.-П.______вер®

тролируемых параметров8 ТС, происходит изведя™*™ менение состояния ТС,

опасности ТС

которое не может быть адекватно воспринято

и / '■> и '5 Состоя,« ТС

Пропуск опасного ИСМ В СВЯЗИ С суще-

«Пнимяниа»

состояния ТС

Рисунок 1 — Пропуск опасного состояния ТС

ственным значением ее

^реакции(РИСУНОК I).

Для преодоления сложившейся ситуации необходимо разрешить противоречие: между существующими тенденциями к усложнению ТС, имеющих критические требования по значению длительности анализа их состояния, и, как следствие, уменьшения производительности ИСМ ТС, и требованиями к снижению вероятности отказов ТС за счет совершенствования ИСМ в части, касающейся уменьшения времени их реакции.

Разрешить данное противоречие возможно путем совершенствования математического обеспечения (мат. об.) ИСМ за счет ускорения расчетов контролируемых параметров, при допущении о неизменности элементной базы ЭВМ, посредством распараллеливания вычислительных процессов. Цель работы. Разработка математического обеспечения информационных систем мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем, применение которого в информационных системах мониторинга позволит снизить вероятность развития неблагоприятных состояний технических систем. Объект исследования. Информационные системы мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем.

Предмет исследования. Математическое обеспечение информационных систем мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем.

"Рябинин, И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем [Текст] / И. А. Рябинин. - СПб.: Политехника. 2000.-248 с.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа,

теории систем, алгебры логики, теории алгоритмов, теории вероятностей.

Задачи исследования.

1. Системный анализ и обоснование математических методов обеспечения мониторинга состояния надежности сложных ТС.

2. Разработка математической составляющей методики и алгоритмических решений для мониторинга отказов сложных ТС на основе логико-числовых моделей (ЛЧМ).

3. Разработка математической составляющей методики и алгоритмических решений для мониторинга ПС сложных ТС на основе ЛЧМ.

4. Оценка показателей качества мат. об. ИСМ, основанного на предложенной методике мониторинга состояния надежности и безопасности сложных ТС.

Научная новизна.

1. Предложен модифицированный алгоритм построения ЛЧМ, отличающийся от известных введением этапа представления дерева неисправностей (ДН) с помощью логико-числовых формул, позволяющего отразить параллельный характер логических (силлогических) отношений исходной модели отказов анализируемой ТС.

2. Предложен модифицированный алгоритм применения ЛВМ для мониторинга состояний надежности и безопасности ТС, отличающийся от известных формированием набора предикатов состояний анализируемой ТС.

3. Предложена методика параллельного определения заданных наборов критических состояний ТС, отличающаяся от известных параллельным вычислением значений предикатов критических состояний ТС на основе использования логико-числовых полиномов (ЛЧП).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модифицированный алгоритм построения логико-числовых моделей, позволяющий отразить параллельный характер логических (силлогических) отношений исходной модели отказов анализируемой ТС.

2. Модифицированный алгоритм применения ЛВМ для мониторинга состояний надежности и безопасности ТС, основанный на формировании набора предикатов, соответствующих состояниям контролируемой ТС.

3. Методика параллельного определения заданных наборов критических состояний ТС на основе использования ЛЧП.

4. Оценка качества мат. об. ИСМ состояний надежности и безопасности сложных ТС.

Практическая ценность. Разработанное мат. об. может быть использовано: в структуре ИСМ состояния критически важных и потенциально опасных ТС; в составе автоматизированных систем управления ТС, как средство контроля текущего состояния ТС; как средство оценки свойств надежности и безопасности разрабатываемых ТС; как средство выявления механизмов развития неблагоприятных ситуаций на ТС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 всероссийских и 5 международных конференциях и симпозиумах:

1. II Всероссийской молодежи, конф. «Перспектива-2012», 25-29 июня 2012 г., ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2012 (доклад отмечен дипломом III степени).

2. XVI Всероссийская НТК, студентов, молодых ученных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» НИТ-11. 16-18 ноября 2011 г., Рязанский государственный радиотехнический университет.

3. Техническая конф. ИКВО СПбГУ ИТМО «Проблема комплексного обеспечения информационной безопасности и совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов силовых структур» 14-15 октября 2010 г. Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики.

4. XXIX Всероссийская НТК «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», 24-25 июня 2010 г., ФГОУ ВПО «Серпуховский военный институт ракетных войск», МОУ «Институт инженерной физики».

5. Десятый Международн. симпозиум «Интеллектуальные системы» (INTELS'2012), г. Вологда, Вологодский государственный технический университет 25 - 29 июня 2012 г.

6. V Международн. конф. «Управление развитием крупномасштабных систем» MLSD-2011 3- 5 октября 2011 г. ИГГУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва, 2011.

7. Международн. научно-практич. конф. «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» А1ТА-2011, 4-8 апреля 2011 г. ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва, 2011.

8. XI Международн. конф. «Информационная безопасность - 2010», 22-25 июня 2010г., ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2010.

Также результаты работы докладывались на научно-технических семинарах, проводимых в Институте информационных технологий и безопасности ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» в 2010-2012 г. Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 14 публикациях из них 3 публикации в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ при Минобрнауки России, 1 патент на изобретение. Список публикаций приведен в конце автореферата. Виедреиие результатов работы. Разработанное мат. об. использовано в ООО «Газпром» при анализе технического состояния участка газовой сети (анализ надежности и безопасности при изменениях структуры сети) г. Геленджика. Личный вклад. В работе [1] автором предложена и обоснована методика применения ЛЧП для мониторинга отказов ТС, учитывающего параллельный характер логических (силлогических) отношений исходной модели отказов анализируемой ТС. В [7], [9] и [10] предложена и описана методика компактного представления систем булевых функций (СБФ), описывающих систему ДН ТС, на основе применения для представления СБФ системы модулярных ЛЧП. В [2] предложено использовать частично заданные булевы функции (БФ) для описания БФ состояния системы. В [3] на примере случайных подстановок исследовались эффективность применения ЛЧП. В [4], [12] и [13] диссертантом проводились вычисления и проверка адекватности полученных решений, использующих модулярные ЛЧП. В работе [5] проводилась постановка вычислительного эксперимента, обработка экспериментальных данных, полученных в ходе вычислительного эксперимента, и интерпретация полученных результатов. Работы [6], [8], [11] и [14] выполнены самостоятельно.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложений и содержит 169 страницы, 46 рис., 9 табл., список литературы из 157 названия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы; поставлена цель работы; определены объект и предмет исследования; сформулирована главная задача исследования и произведена ее декомпозиция на частные задачи исследования; обозначена научная новизна; приведены основные положения, выносимые на защиту; указана практическая ценность; внедрение результатов работы; личный вклад и структура и объем работы.

В первом разделе проведен системный анализ путей создания и совершенствования ИСМ состояний сложных ТС, включающий с себя: системный анализ необходимости

■ а •

¡ sa I'

? Я s

" е- з.

5 с

информация о состоянии ТС о í rssJsji^ v.— ГП

сои!!-. -11

АСУ

ТС

| {5 создания и совершенствования ИСМ состояний л ч сложных ТС, анализ путей создания и совер-

шенствования ИСМ состояний сложных ТС.

ИСМ является неотъемлемой частью систем автоматизированного управления сложными ТС (рисунок 2). Схема функционирования системы мониторинга (СМ) указана на рисунке 3.

Рисунок 2 - Типовая структура АСУ ( здесь СОИ— система обработки информации о состоянии ТС)

Объект контроля

Данные по элементу №1

\ Вычислительные устройства,

Данные по элементу №2

Данные по элементу № к / автоматика

О

время сбора

j;

Рисунок 3 - Схема функционирования СМ

w Основными по-

казателями эффектив-

время анализа

ремя индикации,

время реакции

время

ВОЗДСЙСТВ1Я

i

длительность цикла управления Рисунок 4 - Длительность цикла управления ТС

ности СМ являются;

1. Время реакции СМ (рисунок 4).:

и=ц+т2 + т3,

где

г, - интервал времени, необходимый на сбор данных о состояниях элементов ТС; г2 - интервал времени, необходимый на анализ собранных данных; г, - интервал времени, необходимый на выдачу значений, характеризующих состояние ТС.

2. Изменение вероятности отказа ТС за интервал времени, равный длительности цикла управления Ту ТС: Д&(ту)= е""', где =?ж-г,. =Грсак1ШИ+Гд -длительность цикла управления ГС (рисунок 4); /, ,/2,/3,... - времена начала циклов управления; Л- интенсивность отказов ТС, при отказах элементов ТС; гд -длительность оказания управляющих воздействий.

Так для электротехнического оборудования программно-технических комплексов управления тепловых электростанций определены следующие значения: г, тЫ = 0,01 е., г2 + г, тш = 0,2 е., гд „,„ = 0,025 с.

Основными критериями эффективности СМ являются:

[ Мониторинг ]

— т < т

реакции ~ ра шпия ' отказа ГС

- Д&(г )->пнп

\ Частная 1 | Частная"*""]

^ .т»*. г_| задача №2„ г"! задача №3 |

1 Мониторинг "Мониторинг-

Таким образом, для уменьшения отказов тс предоткззных

состояний ТС

Рисунок 5 - Виды

^реакции СМ: на изменение состояния ТС, необходимо уменьшать время анализа состо- мониторинга сложных ТС яния ТС. СМ должна проводить мониторинг отказов и ПС ТС (рисунок 5). Второй раздел посвящен разработке математической составляющей методики и алгоритмических решений определения отказов ТС на основе ЛЧП.

В составе ИСМ должны присутствовать модели ЧС и методы контроля состояния ТС9. Одним из общеизвестных методом представления таких моделей является построение логических функций (ЛФ) отказов ТС. Для обозначения работоспособности (1) или неработоспособности (0) каждого из п элементов ТС вводится булевы переменные х1 (/ = 1 ,п). Значения функции па каждом из наборов значений переменных (результаты измерений контролируемых параметров), позволяют сделать вывод о том, в каком состоянии находится ТС.

9 ГОСТ Р 22.1.02-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Термины и определения - М.: Издательство стандартов, 1996. - 10 с.

Одним из стандартных методов построения таких ЛФ является метод построения ДН ТС. ДН содержит в себе совокупность инициирующих событий (отклонения значений параметров от допустимых значений, отказы элементов ТС, модификации ТС), выраженных булевыми переменными, и иерархию узлов, каждому из которых сопоставлена БФ. С помощью ДН оказывается возможным проследить причинно-следственные связи между инициирующими событиями и отказами ТС и выявлять минимальные сечения отказов ТС. ДН составляется по каждой функции ТС как для отказов, связанных с прекращением функционирования ТС, так и для отказов, связанных с переходом ТС в опасное состояние. Построение ДН для ТС, имеющей существенное количество элементов, имеет известные трудности в виду большого числа связей между элементами ТС.

Каждый уровень < иерархии ДН, можно представить СБФ:

(1)

гдех, =[х1( x2i ... xn j\ - вектор аргументов для СБФ, соответствующий /'-му слою ДН ТС; d] - число БФ в СБФ, соответствующей < - му слою ДН ТС; п, - число аргументов СБФ ответствующей i - му слою ДН ТС.

Особенностью данной задачи является необходимость одновременной реализации нескольких БФ, т.е. реализации СБФ. Эффективным решением данной задачи является применение ЛЧП, которые позволяют реализовать СБФ одним арифметическим выражением. Теория ЛЧП представлена несколькими направлениями. Исследования в сфере параллельной реализации СБФ, которые в данной работе использованы для представления ДН ТС, проводили Г. Айкен (Aiken), Малюгин В.Д., Шмерко В.П., Шалыто A.A., Финько O.A. и др.

Для получения ЛЧП необходимо выполнить алгоритм 1|0. Каждый из 2"' наборов значений БФ у1/.,у1/1^1,...,у1 СБФ вида (1) для уровня / ДН интерпретируется как код целого неотрицательного числа Y(l> (/ = 0,2"' —1), представленного в двоичной системе счисления:

(У^У^.-У^Г^ХУ;2'''1-

7=1

10Ф|шько, O.A. Модулярная арифметика параллельных логических вычислений: Монография / О. А. Финько; под ред. В.Д. Малюгина. - М.: Ин-т проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2003. - 224 с.

Для получения коэффициентов ЛЧП удобны конъюнктивные преобразования, так как они хорошо алгоритмизируются.

С, = а2.У„

где А2„ - матрица прямого арифметического преобразования размерности 2"х2" ; У, - вектор-столбец истинности СБФ из </( БФ, такой что:

У. =[г(0)у'".... г(/>... И2'"-'']',

где Т- символ транспонирования; С,. =[с0 с, ... ... с2„_1|г - вектор-столбец коэффициентов ЛЧП.

Матрица А . является п—й кронекеровской степенью Л2„ =(Х)Л| базовой

матрицы прямого преобразования А, = | '

Используя С, СБФ вида (1) может быть единственным образом представлена ЛЧП:

1" -1 ;=о

тае (/, ¡г--',,, \2) = ¿Л = '"==()]\ске г (г =0,1,...,2"' -1).

Таким образом, применяя алгоритм 1 для ДН можно получить систему ЛЧП (на рисунке б изображена система ЛЧП для ДН произвольной ТС).

На практике необходимо строить систему ДН (СДН), так как сложная ТС может выполнять несколько функций и может работать в нескольких режимах. Применения ЛЧП возможно реализовать СДН системой ЛЧП.

Для расчета коэффициентов системы ЛЧП, построенной для СДН ТС, был разработан алгоритм 2 (рисунок 7). Применяя данный алгоритм можно компактно хранить СБФ. Для мониторинга отказов (опасных и не опасных) сложной ТС был разработан алгоритм 3 (рисунок 8). Разряды двоичной формы значения ЛЧП, равные 1, указывает на, то какие отказы ТС произошли.

Третий раздел посвящен разработке математической составляющей методики и алгоритмических решений определения ПС ТС на основе ЛЧП. Переходу ТС в состояние отказа предшествует переход системы в ПС вследствие появления инициирующих событий. Для ТС можно определить совокупность вероятностей,

характеризующих переход ТС в ПС, связанные как с прекращением функционирования ТС, так и с переходом ТС в опасное состояние:

где т'- число ПС; число инициирующих ПС событий; бс; - вероятность у-го ПС; - вероятность / -го инициирующего ПС события.

Рисунок 6 - Система ЛЧП для ДН произвольной ТС

Наиболее эффективным методом анализа вероятностей ПС структурно-сложных ТС является ЛВМ. Данный метод позволяет наиболее наглядным и прозрачным образом проводить анализ надежности сложных ТС. Будем считать, что переход ТС в ПС связан с превышением значениями контролируемых вероятностей " бс1> —> бет' ПС ТС своих пороговых значений Рс1,..., Рст.. Применение ЛВМ для мониторинга ПС ТС затруднено, так как значение длительности интервала времени последовательного расчета существенного числа вероятностных функций может иметь существенное значение, что ведет к увеличению

ИСМ. Для уменьшения времени, необходимого ИСМ на анализ состояния ТС, перейдем от расчета арифметических выражений к расчету более быстрых логи-

31ГОСТ Р 22.1.02-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1996. - !0 с.

Рисунок 7 - Алгоритм 2 расчета коэффициентов системы ЛЧП СБФ отказов ТС

-вгод-мачшгсутешя' переменных, описывают*

на текущем уровне ДН Рисунок 8 — Алгоритм 3 мониторинга отказов ТС

ческих выражений. Для этого введем ЛФ признаков ПС ТС. Исключение несущественных переменных12 может позволить уменьшить количество рассматриваемых набором состояний элементов ТС. Для этого будем рассматривать совокупность признаков ПС (совокупность инициирующих событий) и

/„„ - число уровней ДН н~ число аргументов СБФ

"Закрспскнй, Л. Д. Логика распознавания [Текст] / Л. Д. Закревский. - 2-ое изд., доп. - М.: Едигориал УРСС 2003.-144с.

набор Г1С ТС. Увеличить скорость расчета логических выражений возможно за счет применения ЛЧП, который позволяет параллельно рассчитывать СБФ.

Для анализа ПС ТС, построим таблицу признаков ПС ТС (таблица 1). Логические переменные (ЛП)х,, ..., х„.х1( ...,х8 описывают инициирующие ПС ТС события (значение «1» соответствует появлению инициирующего события; значение «О» соответствует отсутствию инициирующего события; значение «-» используется для инициирующих событий, наличие или отсутствие которых не рассматриваются в данный момент). Функции /,,...,/„. (здесь гг1-йх число контролируемых ПС ТС) описывают переход ТС в ПС (значение «1» соответствует переходу ТС в ПС, значение «О» показывает, что ТС не перешла в ПС). Только вошедшие в таблицу признаков ПС, наборы значений ЛП соответствуют ПС ТС. Остальные наборы представляют состояния, о которых имеется неопределенность, являются ли данные состояния предотказными или нет (будем считать, что функции /,,..., на этих наборах принимают значение «О»),

Таблица 1 - Таблица признаков отказов ТС

№ Х\ хг Л fm^0(ll ■■• 1

1 - 0 0 ЛС-.о.....о) о.....о)

2 1 0 1 л (1.0.....1) ^(1.0.....1)

3 1 - 1 л а-.....1) .....1)

2"' 1 1 - ..... Лп'^1'1.....-)

Доопределим13ЛПХ|,..., Хп, для дальнейших расчетов (таблица 2).

Найдем вероятности £?с1,..., (),.,„' ПС ТС для каждого набора в таблице 2, применяя следующее правило для постановки значений вероятностей инициирующих событий (2,-:

П, если д:, =1,

<ИА

10, если х, = 0.

Для определения ПС ТС введем предикаты (/ = 1, т') (таблица 2): ь [0, &,</>„,, 1 К

"Закревский, А. Д. Логика распознавания [Текст] / А. Д. Закревский. - 2-ое изд., доп. - М.: Едиториал УРСС, 2003,- 144с.

Таблица 2 - Таблица значений предикатов признаков отказов 'ГС

№ Qcm^(.xl> рп р сш' 1» ••• *хп

1 1 0 Ос 1(1.....0) 0стг(1.....0) РГ 1 'сШ! ¿1(1.....0) ¿т,(1.....0)

2 1 ( <?м( 1.....1) <?гт,(1.....1) Рг1 Р 'ст> ¿1(1.....1) ¿т,(1.....1)

3 1 1 «с 1(1.....1) <?ст,(1.....1) ¿1(1.....1) ¿т,(1.....1)

2" 1 1 Ос 1(1. -.1) <2сгт(1.....1) Р гсгт ¿1(1.....1) ¿т,(1.....1)

Полученная таблица истннности задает систему предикатов 1/ (таблица 2). Система предикатов может быть представлена одним ЛЧП. Коэффициенты ЛЧП можно получить выполнив алгоритм 1 из раздела 2. Для получения коэффициентов ЛЧП определения ПС ТС был разработан алгоритм 4 (рисунок 9).

С

Начало

=Г=

Ввод таблицы признаков опасных состояний

Ввод массива вероятностей отказов элементов системы

Г

Ввод массива пороговых значений надежности

X

Расчет вероятностей опасных состояний для каждого набора

значений признаков

| —

Расчет значений предикатов опасных состояний

Расчет коэффициентов ЛП, определяющего опасные состояния ТС

Г

Вывод массива коэффициентов ЛЧП

С

I

Конец

Л» ..... СО,.....*»,)

1 — 0 0 Л (-. о.....о; ... Гт,(- 0.....0)

2 1 0 1 Л,. (1.0.....1)

3 1 — 1 .....1: тт. а-.....1)

2- 1 1 — л см..... Гт.( 1.1.....-)

*'=*!>->*„■; /,(*%..,/.-И

[1, если*! = 1,

р р 1 с!> ■■••■> 1 си'

если л:, = 0.

получено с помощью ЛВМ

' I1'

Рисунок 9 - Алгоритм 4 расчета коэффициентов ЛЧП определения ПС ТС Для мониторинга ПС ТС был разработан алгоритм 3 (рисунок 10).

В четвертом разделе выполнена оценка качества мат. об. ИСМ надежности и безопасности сложных ТС, использующей предложенное мат. об.. Пространственный выигрыш при представлении СБФ с помощью ЛЧП посредством алгоритма 2 может быть оценен следующим образом.

Объем таблицы истинности Освф СБФ равен:

с

Конец

3

Рисунок 10 - Алгоритм 5 мониторинга ПС ТС К „(/#

где т— число БФ в СБФ; и— количество аргументов СБФ; с1л - длина логического типа данных в ЭВМ.

Объем таблицы коэффициентов ЛЧП £>Лчп вычисляется по формуле:

где </„ - длина целого числового типа данных в ЭВМ.

Коэффициент

^ _ Дсг.ф

Рисунок 11 - Пространственный выигрыш от применения ЛЧП для представления ДН

Дичи

показывает пространственный выигрыш от применения ЛЧП для представления СДН. График зависимости Кп от количества БФ т в

СБФ показан на рисунке 11.

Представление СБФ с помощью ЛЧП более выгодно, чем представление СБФ с помощью таблиц истинности, если:

т>—. с1.

Если в СБФ больше чем т БФ, то ее выгоднее реапизовывать с помощью

ЛЧП.

Для оценки временного выигрыша при использовании для мониторинга отказов ТС алгоритма 3 был проведен вычислительный эксперимент по методу Монте-Карло14. На рисунке 12 показан алгоритм 6 вычислительного эксперимента. Данный эксперимент был проведен на ЭВМ со следующей аппаратной конфигурацией: процессор Intel Core ¡7-870, оперативная память 4 Gb. Вычислительный эксперимент проводился в среде MATLAB 2010b.

Вычислительный эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе исследовалась зависимость отношения (временного выигрыша) К„(т) времени расчета СБФ отказов ТС традиционным последовательным методом к времени расчета СБФ отказов ТС с помощью ЛЧП от количества БФ в СБФ отказов ТС. Для этого алгоритм 6 запускался для СБФ от 4, 6, 8 аргументов со следующими параметрами:

- Aim =Ю0 (число наборов состояний элементов ТС),

- = 30 (число просчетов всех наборов состояний элементов ТС),

- ^т>х = 30 (число серий просчетов всех наборов состояний элементов ТС),

- Ашх =50 (число БФ в СБФ отказов ТС).

На втором этапе исследовалась зависимость отношения (временного выигрыша) К„ времени расчета СБФ отказов ТС традиционным последовательным методом к времени расчета СБФ отказов ТС с помощью ЛЧП от количества аргументов СБФ отказов ТС. Для этого алгоритм б запускался для СБФ из 15, 30, 50 БФ со следующими параметрами: ¿тах=100, Мтах =30, АГтах =30,DmM =8 (число аргументов СБФ отказов ТС).

На рисунке 13 показаны результаты интерполяции, полученных в результате вычислительного эксперимента значений Кв от числа БФ от в СБФ и от числа аргументов п СБФ с помощью полиномов Ньютона.

Анализируя полученные зависимости, получаем следующие выводы:

- значение К„ увеличивается по мере увеличения количества БФ в СБФ, при постоянном количестве аргументов СБФ.

" Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика : учеб. пособие для вузов [Текст] / В. Е. Гмурман. — 7-изд., стер. — М.: Высш. шк„ 2000. — 479 с.: ил.

— значение К„ уменьшается по мере увеличения количества аргументов

СБФ, при постоянном количестве БФ в СБФ. Изменение числа аргументов СБФ соответствует случаю модернизации ТС. Изменение числа БФ в СБФ соответствует случаю пересмотра экспертами сценариев отказов ТС (в связи с накоплением опыта по эксплуатации ТС или проведение модернизации контролируемой ТС).

Г начало

Увеличение Къ(т) указывает на снижение временных издержек, необходимых на реализацию одного цикла мониторинга.

Временной выигрыш при мониторинге ПС с помощью ЛЧП посредством алгоритма 5 может быть оценен следующим образом. Количество тактов

к>о

10

II - s

II .- (/

процессора ЭВМ, необходимое для расчета системы из т' вероятностных

функций Гт,1)ф равно:

Тт.т= mir'-2]rz + + mir--\\n'-\)rn. | где п'- число аргументов / ". i СБФ признаков; т'- число

- /г ~ 4" • •

I ПС ТС; гЕ —количество

........- ■ - - - . ..

f««» »чж» I тактов процессора ЭВМ,

10 15 20 25 30 35 40 т необходимое для сложения а)

двух чисел; тп -количество тактов процессора ЭВМ, необходимое для умножения двух чисел.

Количество тактов процессора ЭВМ глчп , необходимое для расчета зна-" чения ЛЧП определения ПС равно:

Г Ä — lV 'лчп 2 Tn+\z lFz-

Коэффициент

10е

к ('О )

1<Ич 10!« 104 10« 101» 10".

Ч i

rm j

w - 50

m » 10 -

ш = |5\

6)

6* 7 8

Рисунок 13 - Результат интерполяции значений Кв от количества БФ в СБФ отказов ТС (а) и от количества аргументов СБФ отказов ТС (б)

К'.(ш') 102

10

I I

К'„ = -

показывает временной выигрыш от применения ЛЧП для мониторинга ПС ТС. График зависимости К'в от количества ш' БФ в СБФ ПС показан на рисунке 14.

Уменьшение 2"реакщш ИСМ, необходимого на определение состояния ТС позволяет уменьшить динамическую ошибку определения состояния ТС (несоот-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Рисунок 14 — Зависимость К'„ от количества БФ »;' в СБФ ПС

ветствие текущего состояния ТС и значений, характеризующих это состояние ТС, полученных ИСМ). Тем самым увеличится качество и степень достоверности информации о состоянии ТС.

Разработанное мат. об. позволяет сократить расчетную часть времени функционирования ИСМ приблизительно в 40 раз, то можно утверждать, что предлагаемой мат. об. позволяет обеспечить необходимый требования к реакции ИСМ (не более 0,02 сек. для систем РЗА тогда, когда для существующих ИСМ это время будет 0,8 сек.). Очевидно, что в перспективе следует ожидать как повышения быстродействия элементной базы ЭВМ, так и совершенствование архитектуры ЭВМ, что должно положительным образом сказаться на характеристиках перспективных ЭВМ. Однако, как известно, элементная база ЭВМ совершенствуется относительно медленными темпами. Совершенствование мат. об. ИСМ обладает существенным преимуществом, заключающимся в возможности улучшения характеристик ИСМ в настоящее время так и в перспективе, не отрицая, но дополняя другие возможности по совершенствованию ИСМ.

Заключение. Предложенное мат. об. позволяет увеличить производительность ИСМ ТС. Чем выше производительность ИСМ, тем меньше времени проходит между замерами состояния элементов ТС. Как следствие, снижается изменение вероятности отказа ТС, произошедшее за один цикл управления, что повышает качество мониторинга (управления) ТС.

Разработанное мат. об. обладает следующими достоинствами:

- обучаемость (адаптивность): пересчет коэффициентов ЛЧП при изменении структуры ТС или количества контролируемых параметров;

- наглядность: значение ЛЧП вычисляется прозрачным методом, отсутствует необходимость полного перебора наборов признаков ПС ТС;

- высокая производительность (параллельная реализация ЛФ): система ЛФ одновременно заменяются одним алгебраическим выражением.

Разработанное мат. об. может применяться в составе БСАОА-системы, реализующей активный мониторинг состояния ТС. Дальнейшие исследования могут быть продолжены в направлении создания, на основе разработанного мат. об., автоматических систем предотвращения отказов и других неблагоприятных событий на сложных ТС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения исследования:

- предложен модифицированный алгоритм построения логико-числовых моделей, позволяющий отразить параллельный характер логических отношений исходной модели отказов ТС.

- предложен модифицированный алгоритм применения ЛВМ для мониторинга состояний ТС, основанный на формировании набора предикатов, состояний контролируемой ТС.

- предложена методика параллельного определения заданных наборов критических состояний ТС на основе использования ЛЧП.

- проведена оценка качества предложенного мат. об. ИСМ, состояний надежности и безопасности сложных ТС.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Публикации в журналах, входящих в список рецензируемых изданий ВАК

1. Шарай, В.А. Мониторинг состояния надежности и безопасности структурно-сложных систем на основе логико-числовых моделей [Текст] / В. А. Шарай, О. С. Бурангулова, М. В. Андриуца // Известия ЮФУ. Технические науки. -2011.-Вып. 12.-Т. 125.-С. 35-49.

2. Лаптев, В.Н. Применение метода индуктивного прогнозирования состояний для обнаружения компьютерных атак в информационно-телекоммуникационных системах [Электронный ресурс]/ В.Н. Лаптев, О. В. Сидсльников, В. А. Шарай // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. - 2011. - №72 (08). - Режим доступа: Шр:/Лу.киЬа§го.ги^е1.а8р?1с1= 1690&1= 1.

3. Вишневский, А.К., Шарай В.А. Реализация операций подстановки линейными числовыми полиномами [Текст]/ А. К. Вишневский, В. А. Шарай // Известия ЮФУ. Технические науки. -2010. - Вып. 11.-Т. 112.-С. 139-148.

Патенты на изобретения

4. Пат. 2417405 РФ, МПК О Об И 7/57 О 06 Р 11/08. Самопроверяемый модулярный вычислитель систем логических функций [Текст] / Сульгин С. М., Финько О. А., Щербаков А. В., Самойленко Д. В., Шарай В. А.;- № 2009121955/08; заявл. 08.06.2009; опубл. 27.04.11, Бюл. № 12. - 11 с. : ил.

Статьи в журналах и материалы конференций

5. Шарай, В.А. Системный анализ, оценка качества мониторинга состояния надежности и безопасности сложных технических систем [Текст] / В. А. Шарай, Д. И. Ржевский, Д. Ю. Рыскин // Сборник трудов IV-V Всероссийской НТК «Информационная безопасность - актуальная проблема современности» г. Геленджик, 2012, / Краснодар, ФВАС. - Краснодар : ФВАС, 2012. - С. 2226.

6. Шарай В.А. Логический алгоритм распознавания состояний надежности и безопасности технических систем [Текст] / В.А. Шарай // Материалы XII Международн. научно-практич. конф. «ИБ-2012». Ч. II. Материалы II Всероссийской молодежной конф. «Перспектива-2012» /ТТИ ЮФУ. - Таганрог : ТТИ ЮФУ, 2012. - С. 202-210.

7. Шарай, В.А. Логико-числовые модели распознавания надежности и безопасности технических систем [Текст] / В. А. Шарай, О. С. Бурангулова, О. А. Финько // Интеллектуальные системы: Труды Десятого международн. симпозиума / Под ред. К.А. Пупкова,- М. : РУСАКИ, 2012. - С. 219-223.

8. Шарай, В. А. Подсистема мониторинга состояния надежности и безопасности в составе аналитического центра управления [Текст] / В. А. Шарай // Материалы XVI Всероссийской НТК, студентов, молодых ученных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» НИТ-11. Рязань, 16-18 ноября 2011 г. / РГРТУ. - Рязань : РГРТУ, 2011. - С. 274-276.

9. Шарай, В. А. Параллельный мониторинг состояний надежности и безопасности структурно-сложных систем с использованием логико-числовых моделей [Текст] / В. А. Шарай, О. А. Финько, М. В. Андриуца // Материалы пятой международн. конф. «Управление развитием крупномасштабных систем» МЬ80-2011 3-5 октября 2011 г. / ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова. - М.: ИПУ РАН, 2011. - Т. 2. - С.378-381.

10. Шарай, В. А. Мониторинг состояния надежности безопасности структурно-сложных систем на основе логико-числовых моделей [Текст] / В. А. Шарай, М. В. Андриуца, О. А. Финько // Труды международн. научно-практич. конф. «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» А1ТА-2011. Москва, 4-8

апреля 2011 г. / ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова. - М. : ИПУ РАН, 2011,- С. 601-612.

11. Шарай, В. А. Мониторинг состояния безопасности и надежности комбинированных объектов альтернативной энергетики [Текст] / В. А. Шарай // Труды НТК ИКВО СПбГУ ИТМО «Проблема комплексного обеспечения информационной безопасности и совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов силовых структур» 14-15 октября 2010 г. / Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики. - СПб.: ИТМО, 2010.

12. Самойленко, Д. В. Алгоритм расширения системы больших оснований модулярной арифметики [Текст] / Д. В. Самойленко, О. А. Финько, Н. И. Елисеев, С. В. Найденов, В. А. Шарай // Материалы XI Международн. конф. «Информационная безопасность». Ч. III. / ТТИ ЮФУ. - Таганрог : ТТИ ЮФУ, 2010. -С. 151-154.

13. Самойленко, Д. В. Алгоритм расширения системы больших оснований модулярной арифметики [Текст] / Д. В. Самойленко, О. А. Финько, Н. И. Елисеев, С. В. Найденов, В. А. Шарай //Материалы XXIX Всероссийской НТК «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», 24-25 июня 2010 г., / ФГОУ ВПО «СВИ РВ», МОУ «Институт инженерной физики». - Серпухов, 2010.

14. Шарай, В.А. Система мониторинга надежности комбинированных объектов альтернативной энергетики [Текст]/ В. А. Шарай // Сб. тр. студентов и аспирантов Института информационных технологий и безопасности. - Краснодар, 2010.-Вып. 1,-С. 48-50.

Подписано в печать 21.02.2013. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/|б. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 814.

Отпечатано в ООО «Издательский Дом-ЮГ» 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571

ФГБОУ ВПО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Финько O.A.

Краснодар - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЙ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 12

1.1 Системный анализ необходимости создания и совершенствования информационных систем мониторинга состояний сложных технических систем.....................................................................................................................12

1.1.1 Обобщенный анализ необходимости создания и совершенствования информационных систем мониторинга сложных технческих систем.........12

1.1.2 Анализ необходимости совершенствования подсистем мониторинга в составе АСУ сложными техническими системами с критическими требованиями по длительности цикла управления........................................20

1.2 Анализ путей создания и совершенствования информационных систем мониторинга состояний сложных технических систем....................................23

1.3 Обоснование критериев и показателей оценки качества информационной системы мониторинга сложных технических систем.......................................32

1.4 Постановка задачи исследования..................................................................37

Выводы по первому разделу................................................................................39

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОТКАЗОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ...........................................................40

2.1 Аналитический обзор методов анализа зарождения и развития отказов сложных технических систем..............................................................................40

2.2 Анализ скрытых параллелизмов в процессах возникновения и реализации неблагоприятных событий на сложных технических системах.......................53

2.3 Разработка математического обеспечения и алгоритмических решений

для мониторинга отказов сложных технических систем..................................58

Выводы по второму разделу................................................................................72

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРЕДОТКАЗНЫХ СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 73

3.1 Аналитический обзор методов анализа надежности и безопасности сложных технических систем..............................................................................73

3.2 Разработка математического обеспечения и алгоритмических решений для мониторинга пред отказных состояний сложных технических систем ... 82 Выводы по третьему разделу...............................................................................90

4 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРЕДЛОЖЕННОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ................................................................................................................91

4.1 Оценка пространственного выигрыша при применении разработанного математического обеспечения.............................................................................91

4.2 Оценка временного выигрыша при применении разработанного математического обеспечения.............................................................................92

4.3 Качественная оценка функционирования информационной системы мониторинга, использующей разработанное математическое обеспечение 100

Выводы по четвертому разделу.........................................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ В...............................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ Д...............................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж..............................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Важной подсистемой автоматизированной системы управления сложной технической системой (ТС) является подсистема мониторинга [52]. От качества функционирования подсистемы мониторинга зависит достоверность информации о текущем состоянии ТС, которая используется для принятия решений при управлении контролируемой ТС.

Современные ТС относятся к категории сложных систем [115]. Примерами сложных ТС являются: объекты нефтегазовой промышленности, энергосистемы (в т. ч. с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии [81, 124]), системы релейной защиты и автоматики [138], автоматизированные системы обработки информации [125], системы управления ТС и т.д.

Так как в период эксплуатации ТС подвержена изменению состояния, то необходим анализ надежности и безопасности ТС. Возможны следующие состояния ТС: надежно и безопасно, надежно и небезопасно, ненадежно и безопасно, ненадежно и небезопасно. Изменение состояния надежности ТС связано с переходом ТС в состояние отказа или с переходом ТС в предотказ-ные состояния. Отказ ТС характеризуются значением ущерба, который может быть нанесен при его наступлении (ущерб от аварии на АЭС «Фокуси-ма» (Япония) составил 120 млрд. $ [64], ущерб от аварии на НПЗ «Амуай» (Венесуэла) составил 23 млн. $ [22]). Если значение ущерба причиняемого при наступлении такого отказа превышает некоторое заранее определенное значение, то такой отказ называется опасным. Опасный отказ ТС может стать причиной аварии, катастрофы, и связан с изменением состояния безопасности ТС.

Для оценки надежности ТС используются показатели надежности. Для оценки безопасности ТС используются показатели безопасности, которые как совпадают с показателями надежности, так и имеются специальные показатели безопасности рассматриваемой ТС.

Проблемы анализа состояния надежности и безопасности ТС рассмотрены в трудах Ушакова И.А., Дружинина Г.В., Рябинина И.А., Можаева С.А. и др.

К важным типам сложных ТС, рассматриваемых в настоящей работе, являются системы, подверженные резким изменениям состояния вследствие стремительности протекания в них физических процессов и работающие в режимах близких к критическим (например, системы релейной защиты и автоматики и системы управления ядерными объектами) и имеющие требования по оперативности управления. Так, например, в системах релейной защиты и автоматики энергосистем требования по быстродействию ИСМ предусматривают значение интервала времени срабатывая систем релейной защиты «0,02 сек. [140].

Таким образом, необходимо своевременно обнаруживать изменение состояния ТС. Одним из методов обнаружения изменения состояния ТС является мониторинг состояния ТС. Для современных ТС ввиду их технической сложности используются информационные системы мониторинга (ИСМ), которые, беря на себя повторяющиеся по регламенту работы операторов ТС функции, позволяют увеличить качество и оперативность управления ТС. Одним из видов ИСМ являются SCADA-системы [5] (от англ. supervisory control and data acquisition - диспетчерское управление и сбор данных).

В состав ИСМ входит математическое обеспечение (интерпретатор значений контролируемых параметров элементов ТС в значения, характеризующие состояния ТС), позволяющее проводить анализ состояния системы. Увеличение количества связей, элементов, режимов и функций ТС приводит к усложнению ТС (образование обратных связей и невозможность сведения структуры ТС к структурам последовательного, параллельного и древовидного типов [115]). Учитывая объективную тенденцию к усложнению создаваемых человечеством ТС, можно утверждать, что при условном допущении о фиксированное™ уровня развития элементной базы и архитектуры ЭВМ, в перспективе характеристики ИСМ так или иначе перестанут удовлетворять, предъявляемым к ним требованиям, которые, в свою очередь, могут ужесточаться.

При достаточно большом значении времени реакции ИСМ на изменение состояния ТС и при появлении в течение этого интервала времени редко-

го скачкообразного изменения (разрегулировки, отказы элементов ТС и т.д.) контролируемых параметров [115] ТС, происходит изменение состояния ТС, которое не может быть адекватно воспринято ИСМ в связи с существенным значением длительности ее реакции.

Для преодоления сложившейся ситуации необходимо разрешить противоречие: между существующими тенденциями к усложнению ТС, имеющих критические требования по значению длительности анализа их состояния, и, как следствие, уменьшения производительности ИСМ ТС, и требованиями к снижению вероятности отказов ТС за счет совершенствования ИСМ в части, касающейся уменьшения времени их реакции.

Разрешить данное противоречие возможно путем совершенствования математического обеспечения ИСМ за счет ускорения расчетов контролируемых параметров, при допущении о неизменности элементной базы ЭВМ, посредством распараллеливания вычислительных процессов.

Цель работы. Разработка математического обеспечения информационных систем мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем, применение которого в информационных системах мониторинга позволит снизить вероятность развития неблагоприятных состояний технических систем.

Объект исследования. Информационные системы мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем.

Предмет исследования. Математическое обеспечение информационных систем мониторинга надежности и безопасности сложных технических систем.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории систем, алгебры логики, теории алгоритмов, теории вероятностей.

Задачи исследования.

1. Системный анализ и обоснование математических методов обеспечения мониторинга состояния надежности сложных ТС.

2. Разработка математической составляющей методики и алгоритмических решений для мониторинга отказов сложных ТС на основе логико-числовых моделей (ЛЧМ).

3. Разработка математической составляющей методики и алгоритмических решений для мониторинга предотказных состояний сложных ТС на основе ЛЧМ.

4. Оценка показателей качества математического обеспечения ИСМ, основанного на предложенной методике мониторинга состояния надежности и безопасности сложных ТС.

Научная новизна.

1. Предложен модифицированный алгоритм построения ЛЧМ, отличающийся от известных введением этапа представления дерева неисправностей с помощью логико-числовых формул, позволяющего отразить параллельный характер логических (силлогических) отношений исходной модели отказов анализируемой ТС.

2. Предложен модифицированный алгоритм применения ЛВМ для мониторинга состояний надежности и безопасности ТС, отличающийся от известных формированием набора предикатов состояний анализируемой ТС.

3. Предложена методика параллельного определения заданных наборов критических состояний ТС, отличающаяся от известных параллельным вычислением значений предикатов критических состояний ТС на основе использования логико-числовых полиномов (ЛЧП).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модифицированный алгоритм построения логико-числовых моделей, позволяющий отразить параллельный характер логических (силлогических) отношений исходной модели отказов анализируемой ТС.

2. Модифицированный алгоритм применения ЛВМ для мониторинга состояний надежности и безопасности ТС, основанный на формировании набора предикатов, соответствующих состояниям контролируемой ТС.

3. Методика параллельного определения заданных наборов критических состояний ТС на основе использования ЛЧП.

4. Оценка качества математического обеспечения ИСМ состояний надежности и безопасности сложных ТС.

Практическая ценность. Разработанное математическое обеспечение может быть использовано: в структуре ИСМ состояния критически важных и потенциально опасных ТС; в составе автоматизированных систем управления ТС, как средство контроля текущего состояния ТС; как средство оценки свойств надежности и безопасности разрабатываемых ТС; как средство выявления механизмов развития неблагоприятных ситуаций на ТС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 всероссийских и 5 международных конференциях и симпозиумах:

1. II Всероссийской молодежи, конф. «Перспектива-2012», 25-29 июня 2012 г., ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2012 (доклад отмечен дипломом III степени, см. приложение А).

2. XVI Всероссийская НТК, студентов, молодых ученных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» НИТ-11. 16-18 ноября 2011 г., Рязанский государственный радиотехнический университет.

3. Техническая конф. ИКВО СПбГУ ИТМО «Проблема комплексного обеспечения информационной безопасности и совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов силовых структур» 14-15 октября 2010 г. Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики.

4. XXIX Всероссийская НТК «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», 24-25 июня 2010 г., ФГОУ ВПО «Серпуховский военный институт ракетных войск», МОУ «Институт инженерной физики».

5. Десятый Международн. симпозиум «Интеллектуальные системы» (ЮТЕЬ8'2012), г. Вологда, Вологодский государственный технический университет 25 - 29 июня 2012 г.

»i !

6. V Международн. конф. «Управление развитием крупномасштабных систем» MLSD-2011 3- 5 октября 2011 г. ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва, 2011.

7. Международн. научно-практич. конф. «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» AITA-2011, 4-8 апреля 2011 г. ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва, 2011.

8. XI Международн. конф. «Информационная безопасность - 2010», 2225 июня 2010г., ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2010.

Также результаты работы докладывались на научно-технических семинарах, проводимых в Институте информационных технологий и безопасности ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» в 2010-2012 г.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 141 публикациях из них 3 публикации в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ при Минобрнауки России, 1 патент на изобретение (см. приложение Б).

Внедрение результатов работы. Разработанное математическое обеспечение использовано в ООО «Газпром» при анализе технического состояния участка газовой сети (анализ надежности и безопасности при изменениях структуры сети) г. Геленджика.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, приложений и содержит 169 страниц, 46 рис., 7 табл., список литературы из 157 названий.

Первый раздел посвящен системному анализу путей создания и совершенствования информационных систем мониторинга состояний сложных технических систем. В данном разделе выполнен анализ необходимости со-

1 Одна публикация выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект 11-08-96524-р_юг_ц). Также автором принималось участие в подготовке отчетов по НИР (НИОКР по государственному заданию (субсидия) №2.13.032 на тему «Разработка методологии анализа и синтеза систем проблемно-ориентированных экспертиз в ситуационных центрах органов власти», и НИР на тему «Теоретические и прикладные исследования слабо структурированных управляемых систем с интеллектуальной поддержкой принятия решений и комплексным обеспечением информационной безопасности» (Шифр работы: 31.11-15, номер гос. регистрации 01 201152053))

ш 1

I

здания и совершенствования информационных систем мониторинга состояния (в частности состояния и надежности и безопасности) сложных ТС, имеющих критические требования по длительности цикла управления; выполнен анализ основных подходов к созданию и развитию ИСМС ТС; рассмотрены трудности при создании математического обеспечения ИСМ сложных ТС; проанализированы критерии качества информационных систем, сформулированы критерии эффективности ИСМ, которые могут быть применены к анализу достижения целей создания ИСМ сложной ТС, использующей разрабатываемое в ходе исследования математическое обеспечение.

Второй раздел посвящен системному анализу методов анализа зарождения и развития отказов технических систем и разработке математической составляющей методики и алгоритмических решений для мониторинга отказов сложных технических систем. В данном разделе рассмотрены методы анализа процессов перехода сложных ТС в состояние отказа; выполнен анализ скрытого параллелизма возникновения и реализации неблагоприятных событий на сложных ТС, учет которого позволяет повысить производительность ИСМ (за счет распараллеливания в