Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем речного флота является обеспечение безопасности судоходства как при смешанном река-море плавании, так и при плавании на внутренних водных путях (ВВП) страны. Объясняется это весьма высоким уровнем аварийности флота. Действительно, навигационная аварийность судов на ВВП составляет в настоящее время значительную величину и тенденция её снижения за последние 10 лет наблюдается незначительной. Так такие виды аварийности судов, как столкновения составляют 18% - 20%, посадка на мель 13% - 30%, удары составляют от 40% до 70% от общего числа транспортных происшествий на ВВП.
Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях России требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в данном процессе. Кроме того, все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по внутренним водным путям, в частности, обмен информацией, связанной с безопасностью движения, информацией о грузо- и пассажиро- потоках. Получателями такой информации выступают не только органы, регулирующие движение судов по ВВП и на акваториях портов, но и множество коммерческих и некоммерческих организаций, занимающихся агентированием судов, экспедированием грузов, бункеровочными и другими операциями. Перед сектором внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие.
Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных в настоящее время является инфокоммуникационная технология, получившая название «Корпоративная речная информационная система (КРИС)». Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы (РИС)». Структурным ядром последних являются «Автоматизированные системы управления движением судов (АСУДС)», которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, страны Европейского союза и др., имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др.
При этом вся структура речной АСУДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/GPS и его подсистемы высокоточных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/DGPS.
В последние 5-7 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа XX-XXI веков, получившей название «Автоматизированная идентификационная система (АИС)», ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУ ДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации.
Вхождение АИС в состав АСУДС предполагает не только наличие на судах и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, состоящего, в первую очередь, из цепи береговых станций АИС, включающей базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС в структурах АСУДС и РИС. При этом для эффективных мониторинга и управления движением судов на ВВП одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся её важнейшей транспортной системой. Однако решения такой проблемы в современных информационных каналах неизбежно наталкивается на комплексное воздействие в них различного рода аддитивных (шумы, взаимные, промышленные, преднамеренные и др.) помех и мультипликативных (замирания: быстрые, медленные, селективные и т. п.) помех. Наличие указанных помех, во-первых, существенно сказывается на помехоустойчивости радиолиний АИС и, во-вторых, на их функциональной устойчивости. Поэтому возникает необходимость преодолеть искажающие действия такого рода факторов на стохастические вариации и уменьшение дальности зон действия базовых станций функционально устойчивых информационных идентификационных систем, теоретически обобщить и решить комплекс задач по повышению мониторинга и безопасности судоходства на ВВП России. Все это подтверждает актуальность и своевременность постановки проблемы диссертационного исследования.
В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы является повышение безопасности управления движением судов на основе развития методологии построения функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем для речного транспорта с учетом влияния на безопасность передачи информации взаимных помех.
Объектом исследования в работе является процессы синтеза и анализа АИС речного транспорта, функционирующих в условиях взаимных помех.
Предметом исследования - модели, методы и способы контроля и обеспечения заданного уровня безопасности информации в системах АИС, функционирующих в условиях взаимных и преднамеренных помех.
С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, решаемая в работе: на основе создания единого методологического подхода к внедрению и развитию различных методов и способов построения функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем на речном транспорте, теоретически обобщить и решить комплекс задач по повышению мониторинга и безопасности судоходства на внутренних водных путях России.
Решение подобной проблемы в настоящее время стало возможным лишь благодаря научному фундаменту, заложенному трудами и исследованиями отечественных и зарубежных ученых и специалистов, таких как: Берг А.И., Н.Винер, К. Шеннон, Агеев Д.В., Тихонов В.И., Бабанов Ю.Н., Д. Миддлтон, Фок В.А., Фейнберг Е.Л., Финк Л.М., Варакин Л.Е., Гаскаров Д.В., Кулибанов Ю.М. и многих других.
В данной постановке научная проблема формулируется впервые и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:
1. Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизи-рованной идентификационной системы для мониторинга и обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях страны.
2.Метод синтеза и алгоритмы адаптивных функционально устойчивых когерентных и некогерентных автоматизированных идентификационных систем.
3. Алгоритмы оценки электромагнитной защищенности автоматизиро-ванной идентификационной системы от воздействия взаимных помех.
4. Алгоритмы оценки устойчивости автоматизированной идентифика-ционной системы в условиях воздействия взаимных помех.
5. Модель и алгоритмы анализа и оценки функциональной устойчивости автоматизированных идентификационных систем различных классов в УКВ диапазоне.
6. Алгоритмы вариации структуры и принципы использования современных сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах в условиях взаимных помех для речного транспорта России.
Необходимость разработки данных научных положений обусловлена отсутствием методологических основ анализа и синтеза структуры функционально устойчивых АИС и предполагает решение следующих научно-технических задач:
проведение анализа направлений создания комплекса средств мониторинга, радионавигации и управления на базе использования адаптивных функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем, обеспечивающих качественно новый уровень решения проблемы повышения безопасности судоходства на ВВП страны;
систематизация подходов к формированию методологических основ решения многопараметрических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех;
разработка методической базы и алгоритмов оценки электромагнитной защищенности АИС и проведение расчетов зависимостей их зон действия для различных классов систем от расстояния до источника помех, а также энергетических параметров помех и различия частотно-временной структуры сигналов и взаимных помех для диапазона УКВ;
разработка теоретических основ и алгоритмов расчета функциональной устойчивости основных характеристик АИС при воздействии взаимных помех;
разработка алгоритмов расчета вариационно-параметрической, вариационно-функциональной и среднеквадратической чувствительности АИС от энергетических параметров и различия частотно-временной структуры взаимных помех и полезных сигналов;
разработка метода синтеза функционально устойчивых АИС на основе адаптивных методов.
Лишь при таких условиях появляется возможность создать надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю речного судна с использованием инструментальных методов проводки и реализовать переход к автоматическому управлению движением судна по заданной траектории практически на всём протяжении ВВП. Это расширяет возможности судоводителя для наблюдения за окружающей обстановкой и позволит качественно повысить безопасность на ВВП.
Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, теоретические основы радиоэлектронной борьбы, статистической теории связи, теории распространения радиоволн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений, методы моделирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертации заключается в том, что решена актуальная научная проблема имеющая важное значение для экономики страны и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы повышения эффективности мониторинга и безопасности судовождения на ВВП России, которые в свою очередь, позволили разработать методы и способы построения адаптированных функционально-устойчивых АИС.
Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и обеспечения безопасности судовождения на ВВП страны отличается тем, что впервые качественно и количественно определены многофакторные взаимосвязи состояний источников информации системы обеспечения и контроля безопасности, требования пользователя к уровню защиты информации и устойчивости основных характеристик АИС в условиях взаимных помех, что позволяет сформировать множество допустимых вариантов структур функционально защищенных и устойчивых АИС.
Метод синтеза, алгоритмы и решения для структуры адаптивных функционально устойчивых когерентных и некогерентных АИС отличается применением оригинального подхода к организации структуры и стратегии использования современных сложных сигналов для оптимальных адаптивных АИС, работающих в условия комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех, что позволяет оптимизировать процессы мониторинга и управления движением судов на ВВП страны в условиях взаимных помех.
Алгоритмы оценки электромагнитной защищенности АИС в условиях воздействия взаимных и преднамеренных помех отличается комплексным учетом дальности и зоны действия АИС, характеристик параметров и ограничений трех основных факторов: расстояния базовой станции АИС от источника взаимных и преднамеренных помех, их энергетические параметры и различия частотно временной структуры от структуры полезных сигналов, что позволяет решить задачу оптимального или, по крайней мере, рационального выбора режима функционирования АИС.
Алгоритмы оценки устойчивости АИС в условиях взаимных и преднамеренных помех, отличаются, тем, что впервые количественно учитывают помимо функциональной защищенности еще и функциональную чувствительность АИС различных классов от расстояния до источников взаимных и преднамеренных помех, их энергетических параметров и различия частотно временной структуры от полезных сигналов.
Модель и алгоритмы анализа и оценки функциональной устойчивости автоматизированных идентификационных систем различных классов в УКВ диапазоне позволяют рационально выбрать и гармонизировать функционирование существующих АИС.
Алгоритмы вариации структуры и принципы использования современных сложных сигналов для адаптации функционально устойчивых АИС, отличаются тем, что впервые по признакам функционально экономической целесообразности осуществлена классификация классов и подклассов сложных сигналов для информационной защиты АИС, разработаны структуры эффективных функционально устойчивых АИС, что позволяет, применительно к Корпоративной речной информационной системе и ее Речным информационным службам осуществить эффективный мониторинг и управление судоходством на ВВП страны в условиях взаимных помех.
Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории адаптивных функционально устойчивых АИС на основе новой концепции конструктивного построения таких систем. На этом пути разработаны методы количественного анализа и контроля таких АИС в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению функциональной устойчивости АИС, которые в значительной мере развивают решение проблем подобного типа при контроле и обеспечении информационной безопасности АИС. Разработаны теоретические положения, совокупность которых представляет новое решение научной проблемы, имеющей важное значение для экономики страны: повышение эффективности мониторинга и управления судоходством на ВВП страны на основе адаптивных функционально устойчивых АИС.
Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: системностью исследования и решения поставленных проблем и задач; использованием общенаучного, специальных, формальных и неформальных методов апробированного математического аппарата; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; согласованностью результатов моделирования с данными, полученными при проведении исследований реальных систем АИС на Единой Глубоководной системе Европейской части России, в ходе практической деятельности органов управления различных ведомств, учебном процессе вузов, НИОКР; сходимостью теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований; следованием принципам строгой взаимообусловленной согласованности множества структур исследуемого объекта, необходимостью интегративности свойств исследуемой системы; математической корректности поставленных задач; статистической достаточностью исходного объема анализируемых информационных источников; непротиворечивостью полученных результатов известным работам ученых и специалистов в данной предметной области.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в доведении теоретических исследований до уровня создания конкретного инструментария для разработки и внедрения на ВВП России высокоэффективной системы по мониторингу и радионавигационному обеспечению безопасности плавания судов, в том числе и с использованием дифференциального режима СРНС второго поколения (типа ГЛОНАСС и GPS).
Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций позволяет сформулировать рациональные решения по топологической структуре АИС речного флота на государственном, региональном и локальном уровнях, концептуальные положения о стратегии использования такой системы, обосновать решения по эффективному оперативному управлению ею и оценке её информационно-технического состояния.
Прикладные результаты исследований могут быть использованы также при конкретной разработке сети береговых базовых станций и судовых транспондеров.
Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации автоматизированных идентификационных систем на организационном, технологическом или техническом уровнях с учётом экономической целесообразности принимаемых решений и обеспечение выполнения предъявляемых требований к безопасности информации на различных этапах функционирования АИС.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, реализованные в НИОКР, получены с коллективом разработчиков, в которых автор является ответственным исполнителем.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ОАО НПФ «Меридиан» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО «ТРАНЗАС» (г. Санкт-Петербург), на Научно-производственном предприятии «Маринерус» (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций, при исследовании влияния взаимных помех на АИС в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, что подтверждено актами внедрения.
Материалы диссертационной работы использованы в «Концепции создания и использования дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS на речном транспорте», разработанной в соответствии с Федеральной целевой программой по использованию Глобальной навигационной спутниковой системой ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 ноября 1997 г. №1435, Санкт-Петербургским государственным университетом водных коммуникаций (СПбГУВК). Кроме того, результаты диссертационной работы использованы в СПбГУВК при подготовке специалистов по направлениям 180402.65 и 090105.65.
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ-2004" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (RLNC’ 2007)» (г. Воронеж, 2007 г.), на Международной научно–технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Москва, 2006 г), на Международной конференции "Региональная информатика" (г. Санкт-Петербург, 2004-2009), на VII-й Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на Международной конференции "Новые информационные технологии в системах связи и управления" (г. Калуга, 2009 г.), на Международной научно-практической конференции "Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на XVIII-й Научно-технической конференции "Методы и технические средства обеспечения безопасности информации" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры «Комплексного обеспечения информационной безопасности» Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций в 2003 - 2009 годах.
Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в восьми монографиях, 31-ой статье, в том числе 14 в изданиях, рекомендованных "Перечнем" Высшей аттестационной комиссии, шести отчетах о НИОКР.
Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, и состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 234 страницы текста, в том числе 50 рисунка, 17 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 144 наименования.
