автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Методика прогнозирования техногенных рисков и ее реализация с использованием интернет-технологии

На правах рукописи

005061514

НИСТРАТОВ АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РИСКОВ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

13 ИЮН 2013

005061514

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор

Степанов Павел Владимирович

Официальные оппоненты: Позин Борис Аронович

доктор технических наук, профессор, технический директор ЗАО «ЕС-Лизинг», профессор Московского государственного университета экономики, статистики и информатики (МЭСИ);

Безкоровайный Михаил Михайлович

кандидат технических наук, доцент, начальник Управления испытаний и сертификации информационных технологий и систем Международного центра по информатике и электронике «ИнтерЭВМ».

Ведущая организация: Юго-Западный государственный университет, г.Курск

Защита диссертации состоится «24» июня 2013 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при ИПИ РАН по адресу: 119333, г. Москва, ул. Вавилова, 44, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПИ РАН. Автореферат разослан «22» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д002.073.01 доктор технических наук, профессор

Гринченко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несовершенство современных систем различного функционального назначения во многом связано с объективным наличием остаточных рисков, для оценки которых существующие методы, основанные лишь на принципе измерений, оказываются недостаточными. Существующие методы количественного анализа рисков в приложении к техногенным ситуациям (т.е. являющимся следствием развития техники, результатом применения различных технологий производства), характеризуемым множеством случайностей, для различных приложений являются несовместимыми. Вероятностная интерпретация расчетных рисков зачастую принципиально различается. Несмотря на логическую идентичность воздействия угроз и реализации процессов контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, существующие подходы к прогнозированию рисков не позволяют в общем случае обосновывать требования к системным процессам при ограничениях на допустимые риски и ресурсы. По этой причине, а также из-за специфичности существующих моделей или их недоступности, не осуществляется целенаправленной обработки накапливаемой информации в интересах выявления закономерностей в реализуемых процессах и сравнения эффектов в различных областях приложений. Все вышеизложенное позволяет утверждать о необходимости развития теоретических основ информатики для обеспечения эффективности упреждающего решения практических задач, связанных с управлением рисками.

Налицо методическое противоречие — с одной стороны острая необходимость

выполнения системных требований для обеспечение качества и безопасности систем,

а с другой — длительность и дороговизна разработки новых моделей, несовершенство,

специфичность или недостаточная доступность существующих моделей для

прогнозирования рисков в жизненном цикле современных систем. Вопросы

многосторонней методической оценки качества и безопасности функционирования

систем с использованием математического моделирования были заложены в школах

российских ученых Б.В.Гнеденко, П.С.Краснощекова, Н.Н.Моисеева, Г.С.Поспелова,

Ю.В.Прохорова, исследования были продолжены и расширены В.Ю.Королевым,

Н.А.Махутовым, А.В.Печинкиным, И.Н.Синициным, И.А.Соколовым, В.Г.Ушаковым

и получили практическое развитие и приложение в работах В.Б .Артемьева,

з

М.М.Безкоровайного, В.И.Будзко, Г.В.Дружинина, Л.И.Григорьева, В.В.Киселева, К.Коловроского, А.И.Костогрызова, В.В.Кульбы, К.К.Колина, В.В.Липаева, Ю.Б .Михайлова, Г.А.Нистратова, Б.А.Позина, П.В.Степанова и др. Анализ упомянутых и многих других исследований показывает, что они сохраняют свою востребованность. Тем не менее, несмотря на наличие множества моделей, связанных с оценкой качества и безопасности функционирования систем, многие из них не поддержаны доступной программной реализацией. А, учитывая структурную сложность анализируемых систем, такие модели оказываются тяжелыми в эксплуатации и не адаптируемыми к практическому применению по мере изменения условий и возникновения новых потребностей в моделировании процессов в жизненном цикле систем. Возможности существующих Интернет-технологий не используются для прогнозирования рисков. В результате упускаются практические эффекты от адекватного применения накапливаемой оперативной информации для выявления скрытых закономерностей в функционировании систем, из-за этого управление системными процессами не может быть признано рациональным. Тем самым объективно подтверждена актуальность тематики диссертационных исследований.

Настоящая работа посвящена решению научной задачи прогнозирования техногенных рисков нарушения целостности систем различного функционального назначения с использованием Интернет-технологии. Это соответствует положениям пп. 5 и 9 паспорта специальности 05.13.17 (п.5 - разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, п.9 - разработка новых Интернет-технологий, включая средства анализа информации, приобретения знаний и интеллектуализации бизнес-процессов).

В рамках диссертационного исследования рассматриваются сложные системы с повторяемыми процессами функционирования, периодически контролируемым состоянием и возможностями восстановления нарушаемой целостности для выполнения функций согласно назначению. Объектами исследований являются модели анализа данных для извлечения закономерностей в процессах возникновения и реализации угроз, контроля, мониторинга и восстановления целостности систем различного функционального назначения.

Целью исследований является разработка методики прогнозирования техногенных рисков для оценки, сравнительного анализа и выработки научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами.

Направления диссертационных исследований:

- анализ нормативно-методической и научно-технической информации о процессах функционирования систем. Постановка научной задачи;

- выбор и разработка методов и моделей для прогнозирования техногенных рисков с повышенной точностью;

- разработка методики прогнозирования техногенных рисков с использованием Интернет-технологии;

- оценка, сравнительный анализ и выработка научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами (на примерах систем хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства, инженерного обеспечения, информационных систем).

Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1) методы повышения точности прогнозирования рисков для выбранных базовых моделей; теоремы о существовании расчетных рисков, зависящих от различных длительностей диагностики и восстановления целостности, при итерационном использовании базовых моделей;

2) модернизированные модели опасного воздействия на сложную систему с повышенным уровнем точности прогнозирования;

3) комбинированная модель периодического контроля и мониторинга состояний с плановыми и внеплановыми ремонтами в непрерывном производстве;

4) реализация модернизированных моделей с использованием Интернет-технологии удаленного прогнозирования техногенных рисков;

5) методика прогнозирования техногенных рисков, позволяющая:

выявить качественно новые закономерности в зависимостях рисков от характеристик угроз и реализуемых процессов контроля, мониторинга и

восстановления нарушаемой целостности в сложных системах;

обосновывать уровни допустимых рисков по «прецедентному принципу»; повысить точность прогноза с расширением границ применимости полученных результатов на системы различного функционального назначения. Место и роль работы для развития существующей концепции управления рисками, включая вклад в теоретические основы информатики, отражены на рис. 1.

Недостатки

(в оЗгдам случае п^имснгнкя ВлиагяцшО

С-..У..";- *-.[{'.'!?. (> И Г Г. ЛЬ. Л К И И 1 ?' I! ( К" О В

Штмшмш

1. Я* осушествлл-

селенапр»клеянок

обработки информации л.» системного обоснования рапионзлькьп: мер контроля, «онкго-ракгз авосстановления нарушаемой ЦеЛОСТНОСТИ ЛОГИЧЕСКИ! элементов

йсподыуемы« методы расчета рисков сябцнфкчвь!. результаты несравнимы

Для различного родя у гр«1 задачи колнчеств*кно го

требований к средствам в системным про«сс*« при ограничения* на ресурсы н до пустим ыеркскк -и« решаются

А «Л Я« ^ >

ф у« к « к » « « р «-:»а и «и с? «м « и »«> геи я

> »

««Ж (3 <!С

«> ми *, ¡«С

V».I'и

О яре яе я семе у гро1 а » О') п и *■: и

Г' а з« (<(

С-Н« * й

АН АЛИ \ I» И С К О П

(яОн Vе уй« м х) I* к

КОНТГОЛЬРИГКО»

У *•!>«*(

Л якя»л «йэк»*»*>»«« 1

И г • • С ! С |! С ? С ••

<■<!-: . > > '<■.! У Д •

р ус МЛ * ! . 1 - М >

ОИ1р<>Л». (! Изучен »11- ЙВН'НЫХ С Л у- 1 ^

I а«» ,8|>Я8«ДИ8Х «Я» с й »с» б «г»«- I ;

Iй « о г о у т с р* а 1 ? ^ *

.................................................., Г.......................................................1 ,»**чти !,,

( «ягкве,»^*

"^ТгиГ^ва'¿"у роя» я и" влестн ос ¿»"Ш ? г»**»* "" ^__* гф «

У«*йм*»д«йяе ф о {> й а д и л» « а й « х Ц «с »осу«»«

« С««-?««*» | р - СКЙТС-НЫ

Системна*

» н ж сиер я»

теоретические

основы »иф&рматаки.

Рис. 1 Место и роль работы для развития существующей концепции управления рисками

Научная новизна и теоретическая значимость работы в том, что:

• разработаны три метода повышения точности прогнозирования рисков, позволяющие в отличие от существующих учесть особенности функционирования составных элементов сложной системы, в т.ч. различного рода угрозы, возможные меры периодического контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, дифференцированные по элементам системы;

• доказаны теоремы о существовании расчетных рисков при итерационном

использовании базовых моделей опасного воздействия на систему с периодическим

контролем и мониторингом, расширяющие границы их применимости за счет учета

б

различий в длительностях диагностики и восстановления нарушаемой целостности элементов системы;

• изучены взаимосвязи экономически приемлемого производственного процесса на предприятиях непрерывного производства с типовыми системными процессами контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности;

• на основе применения разработанных методов, сформулированных теорем, выявленных и изученных взаимосвязей системных процессов:

проведена модернизация базовых моделей опасного воздействия на сложную систему, позволившая повысить адекватность моделирования и степень научной обоснованности рекомендаций для выработки рациональных организационно-технических решений по управлению системными процессами;

изложены методические положения по эффективной комбинации модернизированных моделей, позволившие прогнозировать риски нарушения экономически приемлемого производственного процесса для предприятий непрерывного производства с учетом плановых и внеплановых (текущих) восстановлений целостности (ремонтов).

Практическая ценность работы состоит в том, что:

• разработанная методика была реализована при создании прототипа технологии прогноза качества и рисков, внедренного на ФГКУ комбината хранения нефтепродуктов «Монтаж» Росрезерва,

• разработанная в рамках Интернет-технологии модель противодействия нарушениям функциональной целостности на предприятии в условиях возникновения и активизации угроз была реализована в макете многокритериальной системы прогноза, оценки и управления рисками в условиях опасных природных и техногенных явлений, внедренном на Тугнуйской обогатительной фабрике;

• разработанные методические материалы в области прогноза рисков нарушения безопасности функционирования информационных систем реализованы ФГНУ «Центр информационных технологий и систем» (ФГНУ ЦИТиС) при подготовке отчета о НИР «З-Идея-КУРЗ», принятом заказчиком - войсковой частью 43753;

• путем решения многочисленных прикладных задач определены перспективы

практического использования предложенных моделей, методов, Интернет-технологии и методики для выработки научно обоснованных решений по управлению процессами контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности в интересах систем различного функционального назначения;

• представлены практические рекомендации по рациональному применению предложенной методики для обоснования допустимых рисков по «прецедентному принципу»;

• разработанные методические и программные решения внедрены в учебный процесс РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина и были использованы:

магистрами при выполнении лабораторных работ по направлению подготовки дипломированных специалистов «Информатика и вычислительная техника» (654600), специальность «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (220200);

соискателем ученой степени кандидата технических наук при проведении расчетов по управлению рисками нарушения качества функционирования трубопроводного транспорта газа в условиях полуострова Ямал (на примере месторождения Бованенково - Ухта).

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена тем, что:

• в разработанной методике прогнозирования техногенных рисков корректно применены методы теории вероятностей и системного анализа, в качестве базовых использованы положительно зарекомендовавшие себя на практике математические модели опасного воздействия на сложные системы;

• при моделировании использованы проверяемые данные, факты и статистическая информация о системных процессах контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности с обоснованием подбора объектов анализа;

• получаемые результаты расчетов согласуются с опытными и статистическими данными в различных областях приложений (в т.ч. для систем хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства,

инженерного обеспечения, для информационных систем), включая результаты проведенных ранее исследований различных авторов;

• в частных случаях установлено совпадение полученных результатов с результатами применения методов оценки надежности функционирования систем, полученных из независимых источников.

Результаты работы реализованы:

в отчетах о НИР, связанных: с разработкой прототипа технологии удаленного прогноза качества и рисков в системе управления государственными материальными резервами и ее опытной реализацией, что подтверждено актом реализации ФКГУ комбината «Монтаж» Росрезерва; с разработкой методики оценки эффективности применения автоматизированных систем управления системами инженерного обеспечения ИТС Банка России; с прогнозом рисков нарушения безопасности функционирования информационных систем, что подтверждено актом ФГНУ ЦИТиС;

в макете многокритериальной системы прогноза, оценки и управления рисками в условиях опасных природных и техногенных явлений, внедренном на Тугнуйской обогатительной фабрике, что подтверждено актом реализации;

в учебном процессе, что подтверждено актом реализации РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Апробация работы осуществлялась на образцах сложных систем различного функционального назначения (в т.ч. систем хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства, инженерного обеспечения, информационных систем). Результаты работы докладывались на 2-й Научно-практической конференции "Актуальные проблемы системной и программной инженерии" (МЭСИ-2011г.), Международной научно-практической конференции "О проблемах обеспечения в современных условиях количественной и качественной сохранности материальных ценностей, поставляемых и закладываемых в государственный резерв" (НИИПХ-2011г.), Всероссийской межотраслевой конференции «Стандартизация, сертификация, обеспечение эффективности, качества и безопасности информационных технологий» (МИРЭА-2011, 2012гг.), IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития

9

нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа -2012г.), V Международной научно-технической конференции "Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами" (2012г.) и международных форумах по моделированию и обеспечению качества и безопасности систем в Китае, Польше и на Украине.

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 19 публикациях общим объемом 13.5 печатных листов, из них 3.5 авторских, в т.ч. в монографии («Всеобщее управление качеством и 6 сигма. Раздел 7 - Некоторые прикладные методы для анализа и оптимизации системных процессов в управлении качеством») и в Американском журнале по исследованию операций («Прогнозирование и оптимизация системного качества и рисков на основе моделирования процессов»), изданных за рубежом. В журналах, рекомендованных ВАК - 5 публикаций общим объемом 2.5 печатных листа, из них 0.7 авторских. Имеется 6 авторских свидетельств Роспатента на программы для ЭВМ.

Объем и структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов и заключения. Содержание работы изложено на 150 листах, в т.ч. содержит 12 таблиц и 57 рисунков. Список используемых источников насчитывает 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, 4-х разделов и заключения.

В первом разделе в результате анализа законодательных и нормативно-методических документов по обеспечению качества и безопасности функционирования систем в их жизненном цикле выявлены общие системные требования для обеспечение качества и безопасности.

Для развития сложившейся научно-практической концепции управления рисками сформулирована идея накопления и целенаправленной обработки информации об угрозах, возможных и реализуемых мерах контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности для управления процессами на основе прогнозирования рисков в жизненном цикле систем различного функционального назначения.

Научная задача поставлена таким образом, чтобы предлагаемая методика

прогнозирования рисков обеспечивала оценку, сравнительный анализ и выработку

ю

научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами. Примерами возможного применения методики для оптимизации являются: обоснование параметров системных процессов, на которых достижим минимум затрат (на этапах создания) при ограничениях на допустимые риски или минимум интегрального риска (при эксплуатации системы) при задаваемых ограничениях - см. рис.2.

Определение р некое

щ * у .«А, > « 1|

1 и

.................1.. . ................I

А «.а

...__________...................\

¡И«-'*»* |{

Логическая общность: уграм, лиры кошнроля, мониторинг и юсстйноаленш целостности

\ \ ч/

3 С 6 4 у

Модзп ировани* процесса*

\ /? "" I* (Тлрям, Тржаимям уг^ош ЗЕТяви) I

Нашпл ение к целенаправленная обработка щформашш оо угрозах и мер ах яро тив©действия угрозам.. с йс^гожнкх. йреали$уемях мерах шпр^яя .^с-ййюринга п ъоссыноттия аарушазмой оглостнс-стидлз; упрагляшя системннмя прошссаш

ящШКшЖЩ

Разработка методики

прогнозирования техногенных рисков |

Анализ рисков

Контроль рисков

е*<<т рйсжоа, ущерба

11 & й »уем

Примеры причинения для оюшшшашш: обоснование пирометре* системных нроц&хое, на которых досниимш минимум затрат (на татх соединил) при ограничениях т допустимые риски или минимум интегрального риска (при эксплуатации сисмты) при задаваемых ограничениях

i &тя Й * з*« 8 у?: _1_1,

1

и:ри Iъ в ¡п^чааае са>-

^-н ? *,! ¡г* «л* { : *»'-

Оценки, сравнительный авали! процессов функционирования систем по основным показателям н научное обоснование рациональных мер контроля, мониторинга н восстановления нарушаемой целостности их логических элементов по выбранным критериям оптимизации

Рис. 2 Постановка задачи направлена на развитие существующей концепции управления рисками

Во втором разделе, посвященном выбору и разработке методов и моделей для прогнозирования техногенных рисков, установлена логическая идентичность процессов, связанных с угрозами, мерами контроля, мониторинга и восстановления целостности в приложении к системам, их подсистемам и составным элементам. В качестве интегральных показателей функционирования сложных систем выбраны: риск (вероятность) нарушения целостности (качества и/или безопасности

п

функционирования) в течение заданного периода времени для составных элементов и системы в целом - основной показатель; средняя наработка на нарушение целостности составных элементов и системы в целом; среднее время восстановления системы.

Исходными данными для каждого элемента определены: частота возникновения источника опасности; среднее время инициации с разрастанием опасности до нарушения целостности системы; время между окончанием предыдущей и началом очередной диагностики целостности системы; длительность диагностики; время восстановления нарушенной целостности системы; среднее время наработки оператора на ошибку при мониторинге; длительность прогнозного периода времени.

Предлагаемые методы повышения точности охватывают две базовые модели опасного воздействия на систему (см. рис. 3).

Базовая модель 1 (периодический контроль состояния целостности ) <-<.тя варианта 1 - Г1!ЛЖ+ Тди11; / ~ * п„=, ( Т'..г;) _ Риск нарушения целостности > *

Прыкзр события «етсутсжвж нарушения ивлвгптости-! с течение периода прогкаа Т>*.д.

Париса ячмстя а наг «остист с носстаков-геввам

оалвегяоетн кра а* чару

Примни события «нарушение шпестникма* s 'пачгнн* периода проемом Гтд.

Базовая модель 2 (- мониторинг между контролямя):

TtaА TibJ

P*,i.(i)(T»i.) = l~ \d-4(t) friß»**Q«m.(0)

e r

Пример наработка на ошибку nun мониторинге. ФР А;'*}

Риск R

= \dA(Т) frfi2,«i*Ö-..W

Наработка ка ошибку меньше периода прогноза к времени до нарушения целостности

i *аД' TQCY3IKß ---^

rkJr 1

Petpm ~ • Ts,ex"¥T<tt,a) , Рком —Р*а*Щ)(.~>Т «с«)

,V-1 Глю. (Тшж+ Tim, л - иелая часть

возд 1 серед К — 1 — Раозд ,

Рис. 3 Описание выбранных базовых моделей (П„ш.(1) - функция распределения (ФР) времени между возникновениями источника опасности; Пакт,(1) - ФР времени инициации источника опасности, приводящей к нарушению целостности системы; А(1) - ФР времени наработки оператора на ошибку при мониторинге)

Выявлены существующие ограничения и предположения, а также определены основные направления модернизации базовых моделей для решения научной задачи -см. табл.1.

Табл. 1 Направления модернизации базовых моделей

Существующие ограничения базовых моделей Направления модернизации

1. Комплексирование осуществляется на уровне МОЖ, т.е. при логическом объединении по принципу «И» Тцар = 1/(1/ Тнар1+1/ Тнар2), а при объединении по принципу «ИЛИ» Тнар = Т„ар1+Тшр2 - 1/(1/ ТнаР1+1/ Тнар2)-Функция распределения наработки на нарушение целостности системы приближается экспоненциальным распределением. 2. Среднее время восстановления целостности системы, состоящей из множества элементов, не учитывает возможные изменения во времени наработки элементов на нарушение целостности. 3. В моделях не учитываются различия во временах диагностики и восстановления нарушаемой целостности по каждому элементу (они полагаются равными). 4. Модель 1 не учитывает возможности мониторинга, а в модели 2 считается, что при обнаружении отклонений в процессе действенного мониторинга восстановление целостности осуществляется мгновенно. Самостоятельно ни одна из моделей не позволяет спрогнозировать риски нарушения экономически приемлемого производственного процесса на предприятии непрерывного производства с учетом текущих и плановых ремонтов 1. Функцию распределения наработки на нарушение: целостности системы определять численно, исходя из составных функций распределений элементов, а не их МОЖ. 2. При определении среднего времени восстановления целостности за систему, состоящую из множества элементов, учесть характер логического объединения («И» или «ИЛИ») и реальные возможности увеличения времени наработки элементов на нарушение целостности за счет рационального управления системными процессами. 3. На основе вычисляемых рисков нарушения целостности учесть частоту мер отдельно диагностики (при отсутствии нарушений) и восстановления нарушаемой целостности по каждому элементу. 4. На основе комбинации моделей предложить алгоритм прогнозирования рисков нарушения экономически приемлемого производственного процесса на предприятии непрерывного производства с учетом текущих и плановых ремонтов

Разработанные три метода повышения точности прогнозирования рисков для

выбранных базовых моделей опасного воздействия на сложную систему позволили учесть особенности функционирования составных элементов сложной системы, в т.ч. различного рода угрозы, возможные меры периодического контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, дифференцированные по элементам системы. Методы включают:

1) метод 1, позволяющий использовать реальную функцию распределения риска

13

(получающуюся по расчетным формулам и строящуюся на сетке по точкам от 0 до со с учетом возможностей системного контроля, мониторинга и восстановления целостности), а не использовавшуюся ранее экспоненциальную аппроксимацию этого распределения;

2) метод 2, реализующий возможность поддержки и/или восстановления целостности по каждому из элементов, а не за систему в целом, как это применяется в базовых моделях;

3) метод 3, обеспечивающий повышение точности прогноза путем итерационного вычисления вероятностных весовых коэффициентов (через риск) для адекватного учета среднего времени контроля (когда нарушений целостности нет) и среднего времени восстановления целостности системы (в случае выявленного нарушения) по сравнению с применяемым сегодня учетом лишь одного параметра - среднего времени контроля или восстановления нарушенной целостности.

В теоретическую поддержку метода 3 сформулированы и доказаны две теоремы о существовании расчетного риска при итерационном использовании базовых моделей с технологиями периодического контроля и мониторинга с учетом различий в длительностях диагностики и восстановления нарушаемой целостности элементов системы. На основе применения разработанных методов повышения точности прогнозирования рисков и сформулированных теорем разработаны модернизированные модели 1 (для технологии с периодическим контролем) и 2 (для технологии мониторинга целостности между периодическими контролями) - см. рис. 4-5. Согласно многочисленным сравнениям точность прогнозных значений риска при прочих равных условиях повышается на десятки процентов, а средняя наработка на нарушение целостности - в разы.

Модернизированная модель 1 (с периодическим контролем состояния целостности)

Шмгмгктяьш расчет

По кгждойподсистеме строится ФР времени не

г"г [1 +отш]<гсм «г г г,- 2.2 =

По всем подсистемам строится ФР времени ианарушение целостности по точкам для

ад =Н1-Я(Щ1- я,.-® 8.з:1)

- гллтагязс*. ««трала ¿лгэст-:;™

Амед"

с использованием методов 1-3, в т.ч. Теотем 1-2 и (2.3.21 -12,3.51

Рис. 4 Описание модернизированной модели 1 (ограничения и предположения 1-3 из табл. ! сняты)

14

Формирование исходных занкых

Иахсаиы» дашнм» по- каждому э па манту: з - остгот* возмяязнвивла* угроз: р - фздйбйяй

ситуации

«зчтзапя

цапэстлзотм в»«® »отста^оеле чия госла

Т,,.. - сзегнге вое у л «гэа>5от>&1 о^еозто^в

•г* ддо&у «Р * а

Модернизированная модель 2 мониторинг между контролями)

Поэл ементкый расчет Прогкошр о в а ипе рн сков з а систему

По каждой подсистеме строится ФР времени на нарушение целостности по точкам дяй =

= (2.2.1)

,2.2 %-Я 2 7;

По всем подсистемам строится ФР времени на нарушение целостности по точкам для

ВД 12 511

с использованием методов 1-3, т.ч. Теорем 1-2и (2.3.21-18,3.51

Рис. 5 Описание модернизированной модели 2 (ограничения и предположения 1-3 из табл. 1 сняты)

Предложенная комбинированная модель периодического контроля и мониторинга состояний позволяет в 3 этапа (см. рис. 6) прогнозировать риски нарушения экономически приемлемого производственного процесса для предприятий непрерывного производства с учетом плановых и внеплановых (текущих) восстановлений целостности (ремонтов).

::: В модели 1 8 течение прогнозного периода - частые диагностики

I

Этап 1 - формирование исходных данных для применения модели 1, не учитывающей явно

возможностей системного мониторинга реализуемых процессов внепланового ремонта, но позволяющей учесть меры оперативного восстановления (текущего ремонта)

Текущий

ремонт

л

Этап 2 - на основе применения модели 1 оцениваются реализуемые процессы внепланового ремонта, формируются недостающие исходные данные для применения модели 2, учитывающей яэно возможности системного контроля, мониторинга и

восстановления экономически приемлемого производственного процесса в условиях сложившихся дестабилизирующих воздействии

У

тр зшит ; > оборудовав Ш&ИЙЛ с< да

г ц&лос&шозл юнге эл&ши;

событие <■■

г&ъ-овлгиот

На 3-м этапе вычисленная по модели 1 средняя

наработка на нарушение приемлемого производственного процесса используется в качестве исходных данных модели 2, харзктеризу-ющих: Еремя развития угроз и времени наработки на ошибку при мониторинге (те. текущие ремонты учтены в этих исходных данных). На основе применения модели 2 делается прогноз риска с учетом плановых и \ внеплановых ремонтов в непрерывном производстве/

\ В модели 2 з течение прогнозного периода - периодические юнгроли

яЯ /ппянл..,,.*, . , .Шжтг I •1-...... . мпнигприиг

плановые ремонты!. а между хонтролйми - моинтоцииг

;!. $>*8укы«г«* «.«етр-ия* Г "

Рис. 6 Логика решения задачи прогноза риска в непрерывном производстве

В третьем разделе разработана методика прогнозирования техногенных рисков с

использованием Интернет-технологии. Суть предлагаемой Интернет-технологии заключается в оперативной обработке поступающих от пользователей запросов и оперативной выдаче им автоматически генерируемого аналитического отчета - см. рис. 7. Последовательность методических шагов разработанной методики прогнозирования техногенных рисков отражена на рис. 8.

Пользователи, имеющие доступ в Интернет

Сеть Интернет

Периодическое с1

серверами запросов из хранилища

Серверная часть - один или более серверов

Описание Интернет-технологии

Рис. 7 Описание реализации прогнозирования рисков с использованием Интернет-технологии

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РИСКОВ

»1Ы и

\ \

Шаг 1. Определение логической структуры системы н модели угроз (вручюю):

I) система в состоянии целостности, если -йК» 1-й «й»> 2-й 4 2}есля 1-й -<ИЛИ» 24

элементы {подсистемы) находятся з этом состояния, т.е. это

V

- логика последовательного ооьединения -

гдеменж (подсистемы) находятся* Ж

состоянии целостности, т.е. зто- ЯД логика параллельного объединения - ШШ1

Шаг 2. Целенаправленная обработка накопленной ннформаппн оо угрозах, возможных п реализуемых мерах контроля, мониторинга и восстановления целостности. Формирование исходных данных для моделирования

возможна реализация айшматичесюго режима обработки данных отдашижв)

- частот а и среднее гремя ра зватая критичных ситуаций

- период между гк&т«шаши гашролжьш

- длительность системного контроля и во-с становления нарушенной целостности

Шаг 3. Поэлементный расчет

(программными моделями}

¡ЩфоёШ ФРвршенк ш глш роста-.* точках Т»г с-

я***. = 1-

РмЩ 1)~

Ь"—/Г1 Г

¿¡'*Т [\+0Ты>)<гспи СГ-/Г1. (2.2 2)42.2.5)' 5 (2.2.8}-(2.2.7) и др.

модели по каждому элементу:

- -чл стета переднее время рки-вятая критичных ситуацай

- период: ¡^ежду систгшгьши кентролями

• длительность снот^шого гяшродя н в&гетаяовлеяил нарушенной целост ности

- среднля наработка на ошиоку при мониторинге

Прогнозирование рисков

'программными моделями;

Построек!« ФРвреМеЯЙ НангруККК»* целостности ко точкам от Йдо х ко »сем хгодегктшаьг » системе г гаям «НЫШВ-М)] (2.5Л) Вф = В,(1)В^) (2:3:2) с ижгдьз званием методов 1-3 (2.3:3) -£2.3.5} Вычисление ш^щкщш м&еззш средних £р«г*«я наработки. на яарухпе-нк* Еетосхн-остк , Т«*

Шаг 5, Автоматическая генерапня отчета

(программными моделями)

Сравнительный зкзлкз системных процессов, I извлечение закономерностей, обоснование рекомендаций дал выраоотки рашккзльных оргзкюашонно-техническйх решений по управление гястемкьшЕ 1^ошссзг.гк

Рис. 8 Последовательность основных шагов по применению методики 16

1. По примерам анализа системных процессов хранения зерна выявлено:

если условия хранения ежедневно способствуют возникновению рассадников насекомых, потеря качества хранимого зерна за год-два столь же вероятна, сколь и сохранение требуемого качества, что недопустимо. Если условия хранения не допускают возникновения рассадников насекомых чаще, чем раз в неделю, вероятность сохранения качества хранимого зерна за 3-6 лет в 3-5 раз превышает вероятность потери качества;

полученные значения риска могут быть определены как допустимые, а именно -риск нарушения качества хранимого зерна не должен превышать 0.25 для хранения зерна в течение 6 лет.

2. По примеру анализа системы хранения бензина А 76 выявлено: по существующим многолетним прецедентам отсутствия потерь качества при отгрузке бензина уровень риска нарушения норм качества 0.27 за 5 лет хранения может быть охарактеризован как допустимый (приблизительно такой же уровень риска свойственен и качеству хранимого зерна).

3. По примеру сравнения возможностей ручной реакции на опасные воздействия с возможностями автоматической противоаварийной защиты выявлено: за счет своевременной реакции на результаты периодического контроля процессов вероятность безопасного функционирования в течение 5 лет составляет 0.30. Последнее означает, что в этих процессах за 5 лет реально возникнет хотя бы одна потенциально опасная ситуация, потребующая применения мер противоаварийной защиты. Риск наступления такой ситуации составляет около 0.70, что свидетельствует об острой необходимости разработки плана ликвидации аварийных ситуаций.

4. По примеру прогнозирования риска неконтролируемого развития ситуации со стороны диспетчера непрерывного производства выявлено - использование в качестве диспетчера специалиста средней квалификации допустимо лишь как исключение и лишь в течение короткого срока (несколько дней). Для устойчиво эффективного контроля и мониторинга ситуаций на предприятии рекомендуется целенаправленное укрепление диспетчерской службы только высококвалифицированными специалистами, наработка которых на ошибку составит не менее 1 года.

5. Для решения задач учета плановых и внеплановых восстановлений целостности в непрерывном производстве использована предложенная комбинированная модель мониторинга и периодического контроля технологического состояния производства. В результате прогноза рисков извлечены знания о регламенте планового ремонта: по сравнению с существующим вариантом ежесуточного планового ремонта при реализации системного контроля и необходимого планового ремонта 4 раза в сутки средняя наработка предприятия непрерывного производства на

17

простой возрастает в 2.46 раза, а риск нарушения экономически приемлемого производственного процесса за сутки снизится с уровня 0.424 до 0.199, т.е. сократится в 2.13 раза.

6. На примере оценки эффективности фрагмента АСУ системами инженерного обеспечения извлеченные знания позволили обосновать целесообразность автоматизации, а именно: наработка на отказ фрагмента системы инженерного обеспечения возрастает в 2.4 раза, а риски уменьшаются в 4-8 раз в результате рациональной организации процессов контроля, мониторинга и восстановления целостности фрагмента системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится решение актуальной научной задачи прогнозирования техногенных рисков нарушения целостности систем различного функционального назначения с использованием Интернет-технологии, имеющей существенное значение для развития и применения теоретических основ информатики. Получены следующие основные результаты.

1. Разработанные три метода повышения точности прогнозирования рисков для выбранных базовых моделей опасного воздействия на сложную систему позволили учесть особенности функционирования составных элементов сложной системы, в т.ч. различного рода угрозы, возможные меры периодического контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, дифференцированные по элементам системы.

2. Сформулированы и доказаны теоремы о существовании расчетного риска при итерационном использовании базовых моделей опасного воздействия на сложную систему с технологиями периодического контроля и мониторинга с учетом различий в длительностях диагностики и восстановления нарушаемой целостности элементов системы. Применение теорем позволило расширить границы применимости базовых моделей на основе учета различий в длительностях диагностики и восстановления нарушаемой целостности элементов системы.

3. На основе применения разработанных методов повышения точности

прогнозирования рисков и сформулированных теорем проведена модернизация двух

базовых моделей опасного воздействия на сложную систему с технологиями

периодического контроля и мониторинга. Предложенные модернизированные модели

18

позволили повысить степень научного обоснования мер контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности для логических элементов системы.

4. На основе изученных взаимосвязей экономически приемлемого производственного процесса на предприятиях непрерывного производства с типовыми системными процессами контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности предложена последовательная комбинация применения модернизированных моделей опасного воздействия на систему. Разработанная комбинированная модель позволяет прогнозировать риски нарушения экономически приемлемого производственного процесса для предприятий непрерывного производства с учетом плановых и внеплановых (текущих) восстановлений целостности (ремонтов).

5. Предложенная Интернет-технология удаленного прогнозирования техногенных рисков с использованием модернизированных моделей позволяет осуществлять оперативную обработку поступающих от удаленных пользователей запросов и выдачу им аналитического отчета с результатами расчетов в диапазоне изменения исходных данных -90% +100%, анализом и сравнениями прогнозных рисков, выявлением закономерностей и логическим их объяснением, а также с обоснованными рекомендациями для выработки рациональных организационно-технических решений по управлению системными процессами.

6. Разработанная методика прогнозирования техногенных рисков с помощью Интернет-технологии обеспечивает понятность прогноза, расширяет доступность предложенных модернизированных моделей. Выявляемые точки локальных экстремумов риска с их абсолютными величинами являются возможными аргументами для целенаправленных упреждающих воздействий во времени с целью снижения риска или его удержания в допустимых пределах. Применение методики позволяет:

выявлять качественно новые закономерности в зависимостях рисков от характеристик угроз и реализуемых процессов контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности в сложных системах (что должно и может быть использовано для эффективного управления рисками);

обосновывать уровни допустимых рисков по «прецедентному принципу»;

19

повысить точность прогноза с расширением границ применимости полученных результатов на системы различного функционального назначения (в т.ч. на системы хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства, инженерного обеспечения, информационные системы).

7. Решение научной задачи, поддержанное предложенными методами повышения точности прогнозирования, модернизированными моделями, программными инструментариями, Интернет-технологией и методикой прогнозирования техногенных рисков, позволяет реализовать идею накопления и целенаправленной обработки информации об угрозах, возможных и реализуемых мерах контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности в жизненном цикле систем различного функционального назначения. За счет применения предложенной методики достижимы оценки, сравнительный анализ и выработка научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами, что обогатило существующую научно-практическую концепцию управления рисками.

8. По результатам многочисленных расчетов при решении практических задач на примерах хранения зерна и бензина, сравнения потенциала ручной реакции на опасные воздействия с возможностями автоматической противоаварийной защиты, анализа уровня квалификации диспетчера и регламента планового ремонта в непрерывном производстве, оценки эффективности фрагмента АСУ системами инженерного обеспечения доказана перспективность применения предложенной методики для оценки, сравнительного анализа и выработки научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами.

9. Результаты исследований реализованы в отчетах о ПИР, связанных с

разработкой прототипа технологии удаленного прогноза качества и рисков в системе

управления государственными материальными резервами и ее опытной реализацией

(подтверждено актом реализации ФКГУ комбината «Монтаж» Росрезерва), с

разработкой методики оценки эффективности применения автоматизированных

систем управления системами инженерного обеспечения ИТС Банка России [65], с

прогнозом рисков нарушения безопасности функционирования информационных

систем (подтверждено актом реализации ФГНУ ЦИТиС), а также в макете

20

многокритериальной системы прогноза, оценки и управления рисками в условиях опасных природных и техногенных явлений (подтверждено актом реализации Тугнуйской обогатительной фабрики), внедрены в учебный процесс (подтверждено актом реализации РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина).

10. Сформулированные рекомендации по рациональному применению методики нацелены на систематизированный анализ результатов моделирования и извлечение скрытых закономерностей в системных процессах контроля, мониторинга и восстановления целостности, а также на обоснование «допустимых» рисков.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Монография (раздел 7): Andrey Kostogryzov, Andrey Nistratov, George Nistratov SOME APPLICABLE METHODS ТО ANALYZE AND OPTIMIZE SYSTEM PROCESSES IN QUALITY MANAGEMENT. Total quality management and six sigma // InTech, 2012, ISBN979-953-307-778-8, 2012, pp. 127-196.

2. Из перечня ВАК. Нистратов А.А., Нистратов Г.А. Математическое моделирование стандартизованных процессов через Интернет для управления качеством и рисками // Информатизация и связь №3 — Москва: Изд-во АНО "Редакция журнала "Информатизация и связь" 2009, с. 29-39.

3. Костогрызов А.И., Нистратов Г.А., Нистратов А.А. Инновационное управление качеством и рисками в жизненном цикле сложных систем // Труды Всеукраиской научной конференции „Системний анагпз. 1нформатика. Управлшня" СА1У. 4-5 марта 2010, г. Запорожье, 2010г., с. 42-45.

4. Нистратов А.А. Интернет-технология вероятностного анализа рисков нарушения безопасности функционирования систем // Тезисы пятой научно-практической конференции "Математичне та ¡м1тацшне моделювання систем МОДС'2010", 21-25 июня 2010, Киев, с. 232-233

5. Из перечня ВАК. Попов В.М., Костогрызов А.И., П.В.Степанов, Нистратов Г.А., Нистратов А.А. Вероятностный прогноз нарушения безопасности функционирования типовой системы инженерного обеспечения предприятия. // Системы высокой доступности. — Москва: Изд-во «Радиотехника». - 2011г. №3. - стр. 48-60.

6. Костогрызов А.И., Нистратов А.А., Тимченко А.Н. Системная инженерия -системные подходы // II Научно-практическая конференция "Актуальные проблемы системной и программной инженерии", 25-26 мая 2011 г., с. 40-58.

7. Попов В.М., Костогрызов А.И., Нистратов А.А., Нистратов Г.А. Виртуальный анализ качества и рисков через Интернет. // Системний анашз. 1нформатика. Управлшня: Труды 2-й Всеукраинской научно-практической конференции СА1У, Запор¡жжя: КПУ, 10-11 березня 2011р. - стр. 116-117.

8. Popov V., Kostogryzov A., Krylov V., Nistratov A., Nistratov G., Stepanov P. Mathematical models and applicable technologies to forecast, analyze and optimize quality and risks for complex systems. // Proceedings of the lst International Conférence on

Transportation Information and Safety ( ICTIS 2011,Wuhan, China ) June 30th -July 2nd 2011. - p. 845-854

9. Костогрызов А.И., Нистратов Г.А., Нистратов A.A., Тимченко А.Н. Инновационный подход к управлению качеством и рисками в системе государственного материального резерва // Сборник докладов международной научно-практической конференции "О проблемах обеспечения в современных условиях количественной и качественной сохранности материальных ценностей, поставляемых и закладываемых в государственный резерв", часть 1, 05-06 сентября 2011 г., с. 356-370

10. Костогрызов А.И., Нистратов Г.Н., Нистратов А.А., Тимченко А.Н. Методы и инструментарии прогнозирования качества и рисков и примеры их практических приложений для управления эффективностью систем в информационном обществе // Сборник статей, тезисов докладов и материалов к конференции «Стандартизация, сертификация, обеспечение эффективности, качества и безопасности информационных технологий», 11-12 октября 2011, с. 7-19.

11. Из перечня ВАК. Костогрызов А.И. , Тимченко А.Н., Довбня А.Б., Бурцева А.Б., Нистратов А.А. , Нистратов Г.А., Степанов П.В. Управление рисками для обеспечения эффективности системы противоаварийной устойчивости опасных промышленных объектов. Часть 1. Общие положения // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности№3 — 2012, с. 21 — 35.

12. Из перечня ВАК. Костогрызов А.И. , Тимченко А.Н., Довбня А.Б., Бурцева

A.Е., Нистратов A.A. , Нистратов Г.А., Степанов П.В. Управление рисками для обеспечения эффективности системы противоаварийной устойчивости опасных промышленных объектов. Часть 2. Стратегия и примеры // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности №5 - 2012, с. 18-28

13. Из перечня ВАК. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А., Попов

B.М., Степанов П.В. Моделирование процессов функционирования поста контроля почтовой корреспонденции. // // Системы высокой доступности. - Москва: Изд-во «Радиотехника». - 2012г. №1, т.8. - стр. 22-32.

14. Костогрызов А.И., Довбня А.Б., Бурцева А.Е., Нистратов A.A., Тимченко А.Н. Задачи обеспечения эффективности системы противоаварийной устойчивости предприятий и подходы к их решению // Тезисы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», 30.01-01.02.2012, Часть 2, с 108.

15. Костогрызов А.И., Бурцева А.Е., Григорьев Л.И., Нистратов A.A. Прогноз качества и рисков для сложных систем: методы, технологии, возможности, эффекты // Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции 'Компьютерные технологии поддержки приняли решений в диспетчерском управлении газспранспортыми и газодобывающими системами",24-26 октября 2012 г, с.45

16. Довбня А.Б., Костогрызов А.И., Нистратов Г.А, Нистратов A.A., Тимченко А.Н. Методический подход к оценке рисков для морской ледостойкой платформы // Труды 3-й Международной научно-практической конференции „Системний анал1з. 1нформатика. Управлшня" (СА1У-2012), Запоршжя: КПУ, 2012., с. 96-99.

17. Kostogryzov A., Nistratov A., Nistratov G. Applicable Technologies to Forecast, Analyze and Optimize Reliability and Risks for Complex Systems // Proceedings of the 6st International Summer Safety and Reliability Seminar, Poland, 2-8 September, Volume 3, Number 1, 2012, pp. 1-14.

18. Нистратов A.A. Извлечение знаний о прогнозных уровнях рисков и рациональном управлении системными процессами// Труды 3-й Международной научно-практической конференции „Системний аналп. 1нформатика. Управлшня" (САГУ-2012), Запоршжя: КПУ, 2013.

19. Grigoriev L., Kostogryzov A., Krylov V., Nistratov A., Nistratov G. Prediction and optimization of system quality and risks on the base of modelling processes.American Journal of Operation Researches, Special Issue, Volume 1, 2013, pp. 217-244.

20. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А., Нистратова E.H. Моделирование процессов в жизненном цикле систем "Моделирование процессов" -"ноу-хау" // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2006610219.

21. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А. Комплекс для анализа и управления качеством и рисками при создании и эксплуатации автоматизированных систем // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№2006610219.

22. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А. и др. "Программно-инструментальный комплекс оценки качества функционирования информационных систем через Интернет «КОК-Интернет» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008612348.

23. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А., Стойликович В. и др. "Программно-инструментальный комплекс сопровождения систем менеджмента качества «OPISys-KOK-Интернет»" // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614525.

24. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А., Нистратова E.H. Программно-вычислительный комплекс оценки качества производственных процессов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010614145.

25. Костогрызов А.И., Нистратов A.A., Нистратов Г.А., Нистратова E.H. Комплекс для оценки качества информационных и административно-управленческих процессов при функционировании электронного правительства (КОК-ЭП)». // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617017.

Личный вклад автора: описание Интернет-технологии, методов комбинирования моделей, методики прогнозирования рисков — в работах 1, 2-4, 6-7, 912, 18; описание моделей угроз - в 16, 19; разработка интерфейса и удаленного доступа с помощью Интернет - в 1, 6-7, 20-25; подготовка расчетных примеров и интерпретация - 5,8,13-15,17-19.

Подписано в печать: 21.05.2013 Объем: 1,0 усл. п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 172 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90: www.reglet.ru

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ИНФОРМАТИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201357607

НИСТРАТОВ АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РИСКОВ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИИ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Степанов П.В.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................5

1 АНАЛИЗ НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПРОЦЕССАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ. ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙ ЗАДАЧИ.................................................................................14

1.1 Анализ законодательных и нормативно-методических документов по обеспечению качества и безопасности функционирования систем...........15

1.2 Выявление общих системных требований к обеспечению качества и безопасности функционирования систем.............................................17

1.3 Анализ существующих подходов к оценке техногенных рисков.. .19

1.4 Анализ моделей для оценки угроз и исследования процессов контроля, мониторинга и под держания целостности систем...................24

1.5 Постановка научной задачи.................................................26

Выводы по разделу 1...............................................................30

2 ВЫБОР И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РИСКОВ........................32

2.1 Выбор показателей............................................................32

2.2 Выбор базовых моделей для расчетов показателей...................36

2.3 Разработка методов повышения точности прогнозирования рисков.......................................................................................44

2.4 Теоремы о существовании расчетных рисков, зависящих от различных длительностей диагностики и восстановления нарушенной целостности, при итерационном использовании базовых моделей..........50

2.5 Разработка модернизированных моделей с повышенным уровнем точности прогнозирования.............................................................55

2.6 Разработка комбинированной модели периодического контроля и

мониторинга состояний с плановыми и внеплановыми ремонтами в непрерывном производстве..............................................................58

Выводы по разделу 2................................................................66

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РИСКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИИ...........................................................................69

3.1 Накопление и целенаправленная обработка информации об угрозах, процессах контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности системы.......................................................................69

3.2 Реализация модернизированных моделей с использованием Интернет-технологии...........................................................................................74

3.3 Разработка методики прогнозирования техногенных рисков.........84

3.4 Разработка рекомендаций по рациональному применению методики.....................................................................................95

Выводы по разделу 3.............................................................. 97

4 ОЦЕНКИ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ВЫРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ СИСТЕМНЫМИ ПРОЦЕССАМИ....98

4.1 Оценки и обоснование рекомендаций по управлению системными процессами обеспечения качества хранимой продукции..........................98

4.2 Сравнительный анализ различных способов мониторинга ситуаций для обеспечения противоаварийной защиты.......................................105

4.3 Обоснование рекомендаций по управлению процессом контроля со стороны диспетчера непрерывного производства.................................108

4.4 Оценки и обоснование регламента планового ремонта в непрерывном производстве............................................................112

4.5 Прогнозирование повышения надежности энергоснабжения объектов

за счет автоматизации системы инженерного обеспечения....................123

4.6 Другие приложения, рекомендации и направления дальнейших

исследований.............................................................................126

Выводы по разделу 4..............................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................137

ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты о реализации результатов диссертации - от ФГНУ «Центра информационных технологий и систем» (ЦИТиС), Тугнуйской обогатительной фабрики, ФГКУ комбината хранения нефтепродуктов «Монтаж» Росрезерва, РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина......147

ВВЕДЕНИЕ

Несовершенство современных систем различного функционального назначения во многом связано с объективным наличием остаточных рисков, для оценки которых существующие методы, основанные лишь на принципе измерений, оказываются недостаточными. Существующие методы количественного анализа рисков в приложении к техногенным ситуациям (т.е. являющимся следствием развития техники, результатом применения различных технологий производства), характеризуемым множеством случайностей, для различных приложений являются несовместимыми. Вероятностная интерпретация расчетных рисков зачастую принципиально различается. Несмотря на логическую идентичность воздействия угроз и реализации процессов контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, существующие подходы к прогнозированию рисков не позволяют в общем случае обосновывать требования к системным процессам при ограничениях на допустимые риски и ресурсы. По этой причине, а также из-за специфичности существующих моделей или их недоступности, не осуществляется целенаправленной обработки накапливаемой информации в интересах выявления закономерностей в реализуемых процессах и сравнения эффектов в различных областях приложений. Все вышеизложенное позволяет утверждать о необходимости развития теоретических основ информатики для обеспечения эффективности упреждающего решения практических задач, связанных с управлением рисками.

Налицо методическое противоречие — с одной стороны острая необходимость выполнения системных требований для обеспечение качества и безопасности систем, а с другой - длительность и дороговизна разработки новых моделей, несовершенство, специфичность или недостаточная доступность существующих моделей для прогнозирования рисков в жизненном цикле современных систем. Вопросы многосторонней методической оценки качества и безопасности функционирования систем с использованием математического моделирования были заложены в школах

российских ученых Б.В.Гнеденко, ПС.Краснощекова, Н.Н.Моисеева, Г.С.Поспелова, Ю.В.Прохорова, исследования были продолжены и расширены В.Ю.Королевым, Н.А.Махутовым, А.В.Печинкиным, И.Н.Синициным, И.А.Соколовым, В.Г.Ушаковым и получили практическое развитие и приложение в работах В.Б.Артемьева, М.М.Безкоровайного, В.И.Будзко, Г.В.Дружинина, Л.И.Григорьева, В.В.Киселева, К.Коловроского, А.И.Костогрызова, В.В.Кульбы, К.К.Колина, В.В.Липаева, Ю.Б.Михайлова, Г.А.Нистратова, Б.А.Позина, П.В.Степанова и др. Анализ упомянутых и многих других работ [1-39, 74-85] показывает, что они сохраняют свою востребованность. Тем не менее, несмотря на наличие множества моделей, связанных с оценкой качества и безопасности функционирования систем, многие из них не поддержаны доступной программной реализацией. А, учитывая структурную сложность анализируемых систем, такие модели оказываются тяжелыми в эксплуатации и не адаптируемыми к практическому применению по мере изменения условий и возникновения новых потребностей в моделировании процессов в жизненном цикле систем. Возможности существующих Интернет-технологий не используются для прогнозирования рисков. В результате упускаются эффекты от адекватного использования накапливаемой оперативной информации для выявления скрытых закономерностей в функционировании систем, из-за этого управление системными процессами не может быть признано рациональным. Тем самым объективно подтверждена актуальность тематики диссертационных исследований.

Настоящая работа посвящена решению научной задачи прогнозирования техногенных рисков нарушения целостности систем различного функционального назначения с помощью Интернет-технологии. Это в полной мере соответствует положениям пп. 5 и 9 паспорта специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» (п.5 -разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, п.9 - разработка

новых Интернет-технологий, включая средства анализа информации, приобретения знаний и интеллектуализации бизнес-процессов).

В рамках диссертационного исследования рассматриваются сложные системы с повторяемыми процессами функционирования, периодически контролируемым состоянием и возможностями полного восстановления нарушаемой целостности для выполнения функций согласно назначению.

Объектами исследований являются модели анализа данных для извлечения закономерностей в процессах возникновения и реализации угроз, контроля, мониторинга и восстановления целостности систем различного функционального назначения. Целью исследований является разработка методики прогнозирования техногенных рисков для оценки, сравнительного анализа и выработки научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами.

Направления диссертационных исследований;

- анализ нормативно-методической и научно-технической информации о процессах функционирования систем. Постановка научной задачи;

- выбор и разработка методов и моделей для прогнозирования техногенных рисков с повышенной точностью;

- разработка методики прогнозирования техногенных рисков с использованием Интернет-технологии;

- оценка, сравнительный анализ и выработка научно обоснованных организационно-технических решений по управлению системными процессами (на примерах систем хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства, инженерного обеспечения, информационных систем).

Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1) методы повышения точности прогнозирования рисков для выбранных базовых моделей; теоремы о существовании расчетных рисков, зависящих от различных длительностей диагностики и восстановления целостности, при итерационном использовании базовых моделей;

2) модернизированные модели опасного воздействия на сложную систему с повышенным уровнем точности прогнозирования;

3) комбинированная модель периодического контроля и мониторинга состояний с плановыми и внеплановыми ремонтами в непрерывном производстве;

4) реализация модернизированных моделей с использованием Интернет-технологии удаленного прогнозирования техногенных рисков;

5) методика прогнозирования техногенных рисков, позволяющая:

выявить качественно новые закономерности в зависимостях рисков от характеристик угроз и реализуемых процессов контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности в сложных системах;

обосновывать уровни допустимых рисков по «прецедентному принципу»;

повысить точность прогноза с расширением границ применимости полученных результатов на системы различного функционального назначения (в т.ч. на системы хранения продукции, противоаварийной защиты, диспетчерского управления, непрерывного производства, инженерного обеспечения, информационные системы).

Место и роль работы для развития существующей концепции управления рисками, включая вклад в теоретические основы информатики, отражены на рис. 1.

Недостатки

:.в сбоем случае применения Кониепшш:

Существую шал Кониепиия

О П Р К Д Е Л Е Н И Г. Р к с : к о в

1. Н» осуществляется накопления н челена ара вленно и

обработки информации л ля системного обоснования рациональных мер контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности логических элементов

Используемые методы расчета рисков специфичны, результаты несравнимы

Для различного рола угроз залачи количественного обоснования требовании к средствам и системным процессам при ограничениях на ресурсы и допустимые риски -не решаются

Аналм! и с.«с й. условий и срелм

ф > II К II н о и и р О Н ^ М И Я . и О I и О Ж МОСТ С Й

с и с т с V ы и п о I с н и и а л ь н о I о > 111 с ро л

О п р с л с л с н и с \ I р о > н частоты и\ И О I II И К И О II с н и и_

\ н а л и I к о I ч о ж и ы х с и с и а р и с н ф у н к -к и » н >1 р о н а II и я с и с ) с « и

Характер и с т и к а р и с к о я

О ни сан и с системы

Р а 14 с р ы р И с ко В

Во IV ожнос ти у<»рам ем и я н ) чей ьше н н я р и V к •• я

АНАЛИЗ РИСКОВ

Расчет рисков, о и с н к а у ш с р о а

() о о с н о н а и и с и р и с ч л с м ы \ ( л о II и Т II м ы \ > рисков

3

Д ОIIу ст и и ы < нрелелм рисков

КОНТРОЛЬРИСКОВ

\

V

У 1 р о т ы . рис ки.

II КИМ ни • Р > № III и С С об 14 I НЯ

II они с уIро1М

А налит нош и к а ю ши\ > 1 р о I

Копт ро л ь и и »> ч с н и с о и а с н ы \ случае». п р и в с л ш н \ и л и с II ос о 6 с т вов а и ш и ч во шик и о в с н и к> и с л о п у с • г н ч о» о \Щ срба

Установление \ ровня и с ло с тн ос г м с н с т с м ы

Уста н о в л с н н с ф «> р мал и ю канны \ т ре о о в а н и и к и е л о с I н ос » и систем ы

II роек| сис I мм. » кс гм у а т н -р \ с ма я смете м в

И о «м о * Й о V 1Н у с т р д м ■>. н и я и

х ч ем ын е имя риск«

Ф «рчз Iиювй»и не «рсбошиш % к це и» с I н«» с V и сметем и

Систем н а я

И И Ж С И С Р и я

Вклад в теоретические

основы информатики

Метолы повышения точности прогнозирования рисков; теоремы о су шество в а ннн расчетных рисков, зависящих от различных длительно стен лнагностики и восстановления целостности

Модернизированные модели опасного воздействия на систему с повышенным уровнем

прогнозирован

Ко мб нниро ва икая

модель

Реализация вИнгериет-технологнн удаленного прогнозирования техногенных рисков

Методика прогнозирования техногенных рисков

Рис. 1 Место и роль работы для развития существующей концепции управления рисками

Научная новизна и теоретическая значимость работы в том, что: разработаны три метода повышения точности прогнозирования рисков, позволяющие в отличие от существующих учесть особенности функционирования составных элементов сложной системы, в т.ч. различного рода угрозы, возможные меры периодического контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности, дифференцированные по элементам системы;

доказаны теоремы о существовании расчетных рисков при итерационном использовании базовых моделей опасного воздействия на систему с периодическим контролем и мониторингом, расширяющие границы их применимости за счет учета различий в длительностях диагностики и восстановления нарушаемой целостности элементов системы;

изучены взаимосвязи экономически приемлемого производственного процесса на предприятиях непрерывного производства с типовыми системными процессами контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности;

на основе применения разработанных методов, сформулированных теорем, выявленных и изученных взаимосвязей системных процессов:

проведена модернизация базовых моделей опасного воздействия на сложную систему, позволившая повысить адекватность моделирования и степень научной обоснованности рекомендаций для выработки рациональных организационно-технических решений по управлению системными процессами;

изложены методические положения по эффективной комбинации модернизированных моделей, позволившие прогнозировать риски нарушения экономически приемлемого производственного процесса для предприятий непрерывного производства с учетом плановых и внеплановых (текущих) восстановлений целостности (ремонтов). Практическая ценность работы состоит в том, что: разработанная методика была реализована при создании прототипа технологии прогноза качества и рисков, внедренного на ФГКУ комбината хранения нефтепродуктов «Монтаж» Росрезерва,

разработанная в рамках Интернет-технологии модель противодействия нарушениям функциональной целостности на предприятии в условиях возникновения и активизации угроз была реализована в макете многокритериальной системы прогноза, оценки и управления рисками в условиях опасных природных и техногенных явлений, внедренном на Тугнуйской обогатительной фабрике;

разработанные методические материалы в области прогноза рисков нарушения безопасности функционирования информационных систем реализованы ФГНУ «Центр информационных технологий и систем» (ФГНУ ЦИТиС) при подготовке отчета о НИР «З-Идея-КУРЗ», принятом заказчиком - войсковой частью 43753;

путем решения многочисленных прикладных задач определены перспективы практического использования предложенных моделей, методов, Интернет-технологии и методики для выработки научно обоснованных решений по управлению процессами контроля, мониторинга и восстановления нарушаемой целостности в интересах систем различного функционального назначения [61-65, 67-68];

представлены практические рекомендации по рациональному применению предложенной методики для обоснования допустимых рисков по «прецедентному принципу»;

разработанные методические и программные реше