Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов типового транспортного авиапредприятия 14
1.1. Современные задачи российской гражданской авиации. Обоснование выбора объекта исследования 14
1.2. Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения функционирования радиотехнических систем и комплексов 19
1.3. Возможность применения современных информационных технологий для повышения эффективности функционирования радиотехнических систем и комплексов 24
1.4. Особенности применения автоматизации и контроля качества работы радиотехнических систем и комплексов для повышения качества их функционирования 31
1.5. Взаимосвязь между эффективностью и надежностью работы радиотехнических систем и комплексов 42
2. Особенности функционирования радиотехнических систем и комплексов типового авиапредприятия 49
2.1 Модели каналов радиосвязи 49
2.2 Анализ воздействия отношения сигнал/помеха на качество функционирования канала связи 56
3. Каналы управления работой радиотехнических систем и комплексов 65
3.1. Постановка задачи 65
3.2. Канал с неопределенной фазой и адаптивным коррелированным гауссовским шумом 67
3.3. Канал с селективными замираниями (одиночный прием сигналов) 75
3.4. Оптимизация обработки сигналов в каналах управления как средство повышения надежности работы радиотехнических систем... 84
4. Разработка и использование методологии повышения качества функционирования радиотехнических систем и комплексов 86
4.1. Модель оценки эффективности работы систем обеспечения достоверности передачи информации 86
4.2. Модель процесса обеспечения достоверности передачи информации в сети передачи данных 105
4.3. Применение разработанной методики для повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов сети передачи данных транспортного предприятия 115
4.4. Трехуровневая модель работы сети передачи данных 121
4.5. Методика применения трехуровневой модели 130
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение. Акты внедрения 161
- Современные задачи российской гражданской авиации. Обоснование выбора объекта исследования
- Модели каналов радиосвязи
- Канал с неопределенной фазой и адаптивным коррелированным гауссовским шумом
- Модель оценки эффективности работы систем обеспечения достоверности передачи информации
Введение к работе
Развитие современной российской экономики невозможно без тщательной проработки её транспортной составляющей, включая гражданскую авиацию (ГА), роль которой непрерывно возрастает.
Согласно Основам политики Российской Федерации в области авиационной деятельности, подписанным Президентом России В.В. Путиным 3 февраля 2001 года, одной из задач развития авиации является «повышение надежности и эффективности функционирования авиационной техники».
Для отечественной авиации определены три приоритетных направления, требующие своего решения: повышение эффективности работы; усиление информатизации и автоматизации; совершенствование и развитие систем авиационной безопасности. Настоящая работа посвящена решению задач, входящих в указанные направления, и направлена на совершенствование методики оценки качества функционирования средств радиотехнического обеспечения полетов и электросвязи (РТОП и ЭС), а таюке разработку методов и средств повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов, что подчеркивает её актуальность.
Фундаментальные научные исследования, являющиеся базовыми для работ, проводимых в данном направлении, были заложены в трудах многих отечественных и зарубежных ученых: А.Н. Колмогорова, Б.В. Гнеденко, И.А. Ушакова, А.Д. Соловьева, К. Шеннона, Р. Барлоу, Ф. Прошана и ряда других.
В последние годы теоретическое обоснование эксплуатации сложных технических систем значительно развивалось, особенно в области авиации. Это достигнуто благодаря усилиям крупных ученых и коллективов: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (В.Ф. Воскобоева, А.Б. Кузьмина, B.C. Красовского), ГосНИИ ГА (ВА. Климчука, В.И. Ямпольского), МИИГА - МГТУ ГА (ВТ. Воробьева, В.И. Кривенцева, Н.Н. Смирнова, А.А. Ицковича, И.М. Синдеева, В.Д. Константинова, Е.Ю. Барзиловича, В.Е. Емельянова, Ю.М. Чинючина, Б.В. Зубкова), ГосНИИ«Аэронавигация» (А.В. Майорова, С.Л. Белогородского, Л.В. Рябинина, В.Я. Карасева), ГосНИИ ЭРАТ ВВС (A.M. Володко, М.В. Савеннова, В.И. Перова, Ю.И. Коровина, С.К. Савина), ЛИИ МАП (В.И. Бочарова, О.Я. Дерпача), КНИГА (B.C. Новикова, В.А. Игнатова).
Цель диссертационной работы заключается в разработке новых методов и средств повышения надежности и качества функционирования средств РТОП и ЭС, используемых авиационными предприятиями, на основе применения теории информации и электрической связи, теории защиты информации. Вновь разработанные методы и средства должны быть адекватны современным задачам развития отечественной гражданской авиации.
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
Разработки модели функционирования канала передачи информации.
Агрегации математической модели работы каналов управления системами радиосвязи.
Создания алгоритма оценки надежности и качества функционирования радиотехнических систем и комплексов.
Синтеза модели процесса повышения качества функционирования сети передачи данных транспортного предприятия.
Разработки методологии практического применения предложенных решений для повышения качества функционирования комплексов и систем сети передачи данных.
Математический аппарат и методы исследования. В работе использованы результаты и методы теории надежности, теории информации, s теории защиты информации, статистической радиотехники, статистической теории связи, моделирования систем и электрической связи. Научная новизна диссертации состоит в том, что:
Создана новая модель описания процессов, дающая возможность применять методы и средства защиты информации для повышения надежности и качества функционирования средств РТОГТ и ЭС.
Разработана трехуровневая модель информационной системы, позволяющая описать функционирование средств РТОП и ЭС.
Доказана возможность количественного расчета величины воздействия «человеческого фактора» на процессы повышения надежности и качества функционирования средств РТОП и ЭС.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
Давать рекомендации по повышению надежности и качества функционирования средств РТОП и ЭС авиационных предприятий.
Проводить количественный расчет воздействия «человеческого фактора» на процессы повышения надежности и качества функционирования средств РТОП и ЭС.
3. Разработать методику применения разработанных при её выполнении математических моделей на авиапредприятиях.
Достоверность результатов, полученных теоретически, обеспечивается корректностью использованных в работе физических моделей, адекватностью используемого математического аппарата, и подтверждается тождеством с данными, полученными опытным путем.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на расширенных научно-методических семинарах на кафедрах ТЭРТОС и ОРТЗИ МГТУ ГА (2003, 2004, 2005), научно-практической конференции «Построение адаптивной инфраструктуры защищенных информационных систем предприятий ОАО «Газпром» (2005), международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (2006).
Материалы исследования используются в учебных курсах факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА «Системы и сети передачи информации» (специальность 090106), «Теория электрической связи» (специальность 090106), ранее использовались для аналогичных курсов специальности 075600, применены при создании нормативной документации по обеспечению информационной безопасности в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственная корпорация по организации воздушного движения в Российской Федерации», использованы при реконструкции сети подвижной радиосвязи ОАО «Газпром»; алгоритм, разработанный для решения задач исследования, зарегистрирован во Всероссийском научно-техническом информационном центре (информационная карта АИП инв. № ВНТИЦ 50200501588).
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы следующим образом:
Разработанная методология использована при реконструкции сети подвижной радиосвязи ОАО «Газпром».
За счет реализации указанной методологии в ООО «Юпрансгаз» удалось добиться повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов сети передачи данных.
Алгоритм, разработанный для решения задач, зарегистрирован во Всероссийском научно-техническом информационном центре (информационная карта АИП инв. № ВНТИЦ 50200501588).
Полученные результаты внедрены в Московском государственном техническом университете гражданской авиации при постановке учебного процесса по дисциплинам: - «Системы и сети передачи информации» для специальности 090106; - «Теория электрической связи» для специальности 090106. (Ранее использовались при постановке учебного процесса по аналогичным курсам для специальности 075600).
5. Полученные результаты внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственная корпорация по организации воздушного движения в Российской Федерации» при разработке и создании нормативной документации по обеспечению информационной безопасности.
На защиту диссертационной работы выносится методика применения средств обеспечения достоверности передачи информации для повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов, основанная на использовании разработанной модели функционирования средств РТОП и ЭС, а также трехуровневой модели описания работы информационной системы. В процессе разработки указанной методики впервые предложено:
Использование методов и средств защиты информации для решения задач повышения надежности и качества функционирования. Введено новое средство решения указанной задачи - система обеспечения достоверности передачи информации.
Синтез методов и средств теории информации и защиты информации для описания работы средств РТОП и ЭС.
Модификация метода описания информационных систем с помощью трехуровневой модели функционирования. Разработана качественно новая трехуровневая модель описания работы средств РТОП и ЭС.
Результаты работы опубликованы в девяти статьях.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Первая глава работы носит обзорно-аналитический характер. В главе сформулирована и решена задача исследования проблемы повышения
11 эффективности и надежности работы радиотехнических средств типового авиапредприятия, для чего: проведен анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения функционирования сложных технических систем с заданным уровнем качества (параметров эксплуатационной технологичности); исследована возможность применения современных информационных технологий для повышения надежности и качества функционирования радиотехнических средств типового авиапредприятия; проанализирована возможность применения автоматизации и контроля качества работы радиотехнических средств как средства повышения эффективности их работы; изучена взаимосвязь между эффективностью и надежностью работы радиотехнических систем и комплексов.
В результате рассмотрения установлено, что самым хорошим способом повышения качества функционирования радиотехнических систем и комплексов типового авиапредприятия является повышение помехоустойчивости за счет применения систем обеспечения достоверности передачи информации.
Во второй главе рассмотрены особенности функционирования радиотехнических систем и комплексов типового авиапредприятия.
Проведенный анализ позволил сделать следующие заключения:
1. Типовое авиапредприятие, объединяя черты многих реально существующих предприятий, не совпадает полностью ни с одним из них, в силу чего при его изучении было невозможно ограничиться использованием результатов обследования реально существующих авиапредприятий.
2. Для изучения сети передачи данных типового авиапредприятия нецелесообразно применять описанные в [30] геометрическую и каскадную модели канала связи. Хорошие результаты дало рассмотрение топологической модели канала связи, однако она, будучи хороша в общем случае, оказалась непригодна для решения конкретной задачи повышения качества функционирования радиотехнических средств сети передачи данных типового авиапредприятия.
В третьей главе проведено изучение основных особенностей функционирования каналов управления работой радиотехнических систем и комплексов. Выявлена возможность применения снижения вероятности ошибок при обработке сигналов в каналах управления как средства повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов для случаев канала с неопределенной фазой и адаптивным коррелированным гауссовским шумом и канала с селективными замираниями.
В четвертой главе описываются вновь разработанные модели - модель оценки эффективности работы радиотехнических систем и комплексов и модель процесса повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов. Подтверждена работоспособность разработанной методологии и соответствие расчетных результатов практическим данным, даны рекомендации по её дальнейшему углублению и совершенствованию. Также приводятся рекомендации по практическому применению вновь разработанной методологии, и описывается её применение для повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов сети передачи данных конкретного предприятия.
В заключении приводятся выводы, сделанные в процессе работы, а также результаты, полученные при выполнении исследования.
В списке литературы приведен библиографический список литературных источников, использованных в данной работе.
В приложении приводятся материалы о практической реализации предлагаемой методологии.
Рассмотренные в диссертации вопросы ранее были рассмотрены в научной литературе. Вопросы надежности и эффективности работы сложных технических систем освещались в работах [4,19,28, 82].
Предложенная в [82] методология разрабатывалась раньше других и содержит ряд ошибочных выводов.
Этот недостаток исправлен в [19], в которой сделан ряд выводов, подтвержденных в данном исследовании: и для обобщенного варианта, и для ряда частных случаев сложных технических систем нет единой методики сравнения количественных показателей эффективности и надежности работы; эффективность использования технических средств тем больше, чем выше надежность их функционирования. Подобный вывод сделан в работе [4].
Методика применения теории информации для моделирования сложных технических систем [111] в целом охватывает вопросы функционирования автоматизированных систем, систем радиолокации, но не рассматривает вопросы моделирования систем связи и систем передачи информации (СПИ). Модель СПИ, изложенная в [113], не учитывает особенностей работы систем радиосвязи. Методика, изложенная в [74, 75], частично устраняет данную недоработку, но не содержит полноценных моделей функционирования сетей связи и передачи данных. Для устранения этого недостатка в настоящей работе предложена вновь разработанная модель сети передачи данных. При ее разработке использованы принципы моделирования многопользовательских топологических сетей с неопределенными начальными условиями, изложенные в [60]. Еще одна методика моделирования СПИ описана в работе [23]. Предложенные в ней способы моделирования не содержат существенных недостатков, и были использованы при написании данной диссертации.
В целом, ни одна из описанных выше методик не подходила для решения задач исследования. В большей степени для этого подходили работы [37, 39, 72, 73]. В указанных работах были развиты и дополнены известные методики моделирования систем связи и передачи данных, вновь разработаны и описаны некоторые модели таких систем. Однако предложенные способы решения задач являлись теоретическими, для их практического применения требовалась доработка, которая была выполнена в ходе данного исследования,
Современные задачи российской гражданской авиации. Обоснование выбора объекта исследования
Согласно [48], увеличение спроса на услуги авиатранспорта в 2000 - 2002 годы было связано с относительным уменьшением цен на авиаперевозки (рис. 1.2), проводившимся предприятиями российской гражданской авиации, до некоторой степени, себе в убыток. Однако затем «механическое» снижение цены стало невозможно, и общая задача снижения стоимости российских авиаперевозок свелась к частной задаче снижения их себестоимости.
Модели каналов радиосвязи
Проведенный анализ позволил сделать следующие заключения:
1. Типовое авиапредприятие, объединяя черты многих реально существующих предприятий, не совпадает полностью ни с одним из них, в силу чего при его изучении было невозможно ограничиться использованием результатов обследования реально существующих авиапредприятий.
2. Для изучения сети передачи данных типового авиапредприятия нецелесообразно применять описанные в [30] геометрическую и каскадную модели канала связи. Хорошие результаты дало рассмотрение топологической модели канала связи, однако она, будучи хороша в общем случае, оказалась непригодна для решения конкретной задачи повышения качества функционирования радиотехнических средств сети передачи данных типового авиапредприятия.
В третьей главе проведено изучение основных особенностей функционирования каналов управления работой радиотехнических систем и комплексов. Выявлена возможность применения снижения вероятности ошибок при обработке сигналов в каналах управления как средства повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов для случаев канала с неопределенной фазой и адаптивным коррелированным гауссовским шумом и канала с селективными замираниями.
В четвертой главе описываются вновь разработанные модели - модель оценки эффективности работы радиотехнических систем и комплексов и модель процесса повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов. Подтверждена работоспособность разработанной методологии и соответствие расчетных результатов практическим данным, даны рекомендации по её дальнейшему углублению и совершенствованию. Также приводятся рекомендации по практическому применению вновь разработанной методологии, и описывается её применение для повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов сети передачи данных конкретного предприятия.
В заключении приводятся выводы, сделанные в процессе работы, а также результаты, полученные при выполнении исследования.
В списке литературы приведен библиографический список литературных источников, использованных в данной работе.
В приложении приводятся материалы о практической реализации предлагаемой методологии.
Рассмотренные в диссертации вопросы ранее были рассмотрены в научной литературе. Вопросы надежности и эффективности работы сложных технических систем освещались в работах [4,19,28, 82]. Предложенная в [82] методология разрабатывалась раньше других и содержит ряд ошибочных выводов.
Этот недостаток исправлен в [19], в которой сделан ряд выводов, подтвержденных в данном исследовании: и для обобщенного варианта, и для ряда частных случаев сложных технических систем нет единой методики сравнения количественных показателей эффективности и надежности работы; эффективность использования технических средств тем больше, чем выше надежность их функционирования. Подобный вывод сделан в работе [4].
Методика применения теории информации для моделирования сложных технических систем [111] в целом охватывает вопросы функционирования автоматизированных систем, систем радиолокации, но не рассматривает вопросы моделирования систем связи и систем передачи информации (СПИ). Модель СПИ, изложенная в [113], не учитывает особенностей работы систем радиосвязи. Методика, изложенная в [74, 75], частично устраняет данную недоработку, но не содержит полноценных моделей функционирования сетей связи и передачи данных. Для устранения этого недостатка в настоящей работе предложена вновь разработанная модель сети передачи данных. При ее разработке использованы принципы моделирования многопользовательских топологических сетей с неопределенными начальными условиями, изложенные в [60]. Еще одна методика моделирования СПИ описана в работе [23]. Предложенные в ней способы моделирования не содержат существенных недостатков, и были использованы при написании данной диссертации.
В целом, ни одна из описанных выше методик не подходила для решения задач исследования. В большей степени для этого подходили работы [37, 39, 72, 73]. В указанных работах были развиты и дополнены известные методики моделирования систем связи и передачи данных, вновь разработаны и описаны некоторые модели таких систем. Однако предложенные способы решения задач являлись теоретическими, для их практического применения требовалась доработка, которая была выполнена в ходе данного исследования,
Канал с неопределенной фазой и адаптивным коррелированным гауссовским шумом
Оптимальные поэлементные решающие схемы при известной КФ помехи
Вследствие неравномерного спектра шума оптимальная обработка сигнала должна охватывать всю ось времени. Однако, учтя соображения (109], введем ограничение: решение о каждом элементе сигнала должно приниматься путем анализа приходящего сигнала только на соответствующем интервале.
Модель оценки эффективности работы систем обеспечения достоверности передачи информации
Изучение обеих рассмотренных математических моделей каналов управления работой радиорелейного оборудования СПД показывает, что наличие ошибок при обработке сигналов влияет на показатели эффективности и надежности функционирования этого оборудования.
Анализ моделей выявил, что при снижении вероятности ошибок в канале управления возрастает достоверность передаваемого/принимаемого сигнала, а вместе с ним, и надежность функционирования радиорелейного оборудования.
Таким образом, в ходе данного исследования появилась задача поиска для РТС СПД единого универсального способа снижения вероятности ошибки в канале управления.
Наличие в СПД большого количества типов и видов применяемого оборудования (подраздел 1.2) усложняет поиск решения задачи для ошибок, вызванных особенностями работы оборудования РТС.
В связи с этим, автором была изучена работа еще одной составляющей СПД - системы подвижной радиосвязи.
По экспертным оценкам [67, 68], для организации линейной диспетчерской ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи и подвижной УКВ -радиосвязи на предприятии применяются конвенциональные и радиокабельные системы и УКВ - радиостанции.
В СПД автономно развернуто 58 базовых станций УКВ радиосвязи и 98 абонентских (мобильных и портативных) УКВ - радиостанций.
Кроме того, для организации подвижной радиосвязи на предприятии в рамках СПД применяется система подвижной радиосвязи, включающая в себя:
-1 главный контроллер системы (Main System Controller, MSC);
- 4 транкинговых контроллера системы (Trunk System Controller, TSC);
- 11 базовых станций; - 640 абонентских радиостанций (по видам - стационарные, мобильные,
переносные/портативные).
Указанная система обеспечивает следующие виды связи:
- диспетчерскую;
- оперативную;
- технологическую;
- передачу данных для мобильного доступа к СПД.
Исходя из изложенного, система подвижной радиосвязи играет большую роль в обеспечении производственной деятельности предприятия и является важной составляющей в работе СПД.
При этом, по [68], стационарное оборудование системы подвижной связи СПД размещается на объектах РРЛ, а в качестве каналов сообщения между базовыми станциями и контроллерами системы используются РРЛ, для чего в каналах радиорелейной связи выделяется цифровой поток 2 Мбит/с.
Но, если для управления работой системы подвижной радиосвязи СПД используются средства РРЛ, то надежность этой системы зависит от надежности работы РРЛ, в том числе - и от надежности работы каналов управления работой РРЛ.
Иными словами, найденные закономерности справедливы не для одного, а для двух важнейших компонентов сети передачи данных - для средств радиорелейной связи и для системы подвижной радиосвязи. Так как указанные системы являются критическими для СПД [67, 68], можно считать, что найденные закономерности верны для всей СПД.
Исходя из изложенного, поставленная в данном разделе задача решена -показано, что снижение вероятности ошибок при обработке сигналов является действенным средством повышения эффективности и надежности работы радиотехнических систем и комплексов сети передачи данных типового авиапредприятия.
