Введение к работе
Актуальность темы. Современный период развития социально–эконо-мических, политических, военных и иных процессов в России характеризуется их динамикой и сложностью, совершенствованием структуры управления органов государственной власти, ростом экстремизма и терроризма, периодическими экологическими катастрофами и стихийными бедствиями, трансформацией сложившихся традиционных и появлением новых информационных общественных отношений, обуславливающих переход человечества от индустриального к информационному обществу. Это обусловливает необходимость повышения роли информации и новых информационных технологий, формирования единого информационного пространства страны и мирового сообщества, совершенствования информационного обеспечения деятельности органов государственной власти, хозяйствующих субъектов, банковских и других структур. Решение этих проблем неразрывно связано с созданием и функционированием уникальных сложных информационных систем (СИС) различных классов, обеспечивающих требуемое качество и соответствующий статус циркулирующей в них информации. Это, в свою очередь, обусловливает необходимость обеспечения и соответствующих требований к показателям качества функционирования СИС, и в первую очередь к ее надежности. Недостаточная надежность таких СИС, ухудшает в целом, ряд показателей качества обрабатываемой в них информации, в том числе ее физическую целостность, достоверность, полноту, безопасность и приводит к угрозе принятия неэффективных решений должностными лицами в процессе управления.
Проблема обеспечения надежности СИС различного предназначения, степени сложности, коммутируемых, некоммутируемых, частично коммутируемых, и функционирующих в различных условиях, постоянно находились и находится в центре внимания государства, отечественных и зарубежных специалистов и ученых: Б. Я. Дудника, В. А. Зеленцова, Б. П. Филина, Б. В. Гнеденко, А. А. Гагина, Л. П. Щербины, Б. А. Гордиенко, А. М. Половко, В. Н. Рогинского, Г. В. Давыдова, В. Л. Волковича, Д. Филлипса, А. Гарсиа-Диас, Г. Фрэнка, И. Фриша, Р. Барлоу, Ф. Прошана, П. Боккера, А. Форда, Д. Фалкерсона, М. Шварца, В. Я. Советова, С. А. Яковлева, Р. Бесслера, А. Дойча. В то же время проблема обеспечения надежности СИС, требующих управления в реальном масштабе времени, т.е. так называемых СИС реального времени (СИС РВ), оказалась недостаточно проработанной, в силу значительной вычислительной сложности существующих методов и алгоритмов оценки надежности СИС и ее элементов, и, прежде всего, таких важных ее компонентов, как информационные направления (ИН), определяющих качество функционирования любой СИС. В следствии невозможности использования существующих методов и алгоритмов оценки надежности ИН СИС РВ, из-за непропорционально высокого роста их вычислительной сложности при значительном увеличении масштабов оцениваемых СИС, возникает проблема разработки методов и алгоритмов оценки надежности ИН СИС РВ, обладающих минимальный ростом их вычислительной сложности при значительном увеличении масштабов оцениваемых СИС. Наилучшим вариантом явилось бы достижение полной независимости вычислительной сложности новых методов от размерности ИН СИС. Особенно актуальным это является для коммутируемых СИС, так как основная масса существующих методов и алгоритмов оценки надежности ИН СИС была разработана для частично коммутируемых СИС.
Известная методология анализа и синтеза СИС, не только не содержит необходимые и достаточные методы и методики оценки надежности СИС РВ, и ее важнейших компонентов ИН, но и не имеет в своем составе и необходимых инструментов: соответствующих понятийного базиса, концепций, математических моделей, теоретических методов и т.д., для их создания.
Эти обстоятельства и обуславливают необходимость развития методологии анализа и синтеза СИС в направлении анализа и синтеза СИС РВ, обеспечивающем решение задач объективной оценки надежности этих систем. Основным содержанием такого развития является уточнение понятийного базиса, создание новых концепций, моделей, экономных методов и методик анализа надежности ИН СИС РВ, направленных на совершенствование управления этими системами, и, в целом эффективности их функционирования. Что и определяет актуальность и составляет цель диссертационных исследований.
Цель работы. Повышение эффективности функционирования СИС работающих в реальном масштабе времени на основе развития методологии анализа и синтеза СИС РВ, развивающей общую методологию анализа и синтеза СИС различных классов.
Научная проблема – состоит в необходимости развития методологии анализа и синтеза СИС, в направлении создания новых концепций, моделей, экономных методов и методик анализа надежности ИН, обеспечивающих возможность управления реконфигурацией СИС в реальном масштабе времени.
Объектом исследования являются СИС, функционирующие в условиях формирования современного информационного общества в России и обострения информационного противоборства.
Предметом исследования является методология анализа и синтеза СИС РВ, включающая уточненный понятийный базис, концепции, математические модели, теоретические методы, алгоритмы и методики оценки надежности СИС.
В рамках поставленной научной проблемы решены следующие научные задачи:
1. Выявлены основные направления развития методологии анализа и синтеза СИС РВ, для чего:
– проанализировано состояние методологии анализа и синтеза СИС по показателю качества – надежности;
– исследована зависимость надежности ИН СИС от структуры путей их составляющих;
– осуществлена количественная оценка путей различной структуры, образующих ИН частично коммутируемых СИС;
– осуществлена оценка множеств сечений различной структуры ИН коммутируемых СИС.
2. Для обоснования выявленных основных направлений развития методологии анализа и синтеза СИС РВ предложены концепции:
– построения СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур;
– анализа надежности СИС, основанной на способе размена вычислительной сложности;
– формирования критериев оценивания показателей надежности ИН СИС.
3. На основе предложенных концепций построения СИС и анализа надежности СИС, разработаны:
– методы приоритетных путей и приоритетных сечений анализа надежности СИС РВ;
– методики оценки надежности ИН СИС РВ на основе методов приоритетных путей и приоритетных сечений;
– методика оценки эффективности реализации потенциальной структурной надежности ИН СИС РВ.
4. На основе предложенных концепций построения СИС и формирования критериев оценивания показателей надежности ИН СИС, разработаны методики расчета критериев оценивания показателей надежности ИН СИС РВ.
Методы исследования. В диссертации применялись методы теорий: системного анализа, моделирования, систем, надежности, графов, вероятностей и математической статистики, управления.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты имеющие научную новизну:
1. Методология анализа и синтеза СИС РВ, включающая: понятийный базис; концепции анализа надежности СИС, построения коммутируемых СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур, формирования критериев оценивания показателей надежности ИН; математические модели СИС; теоретические методы приоритетных путей и приоритетных сечений; алгоритмы и методики оценки надежности ИН, расчета критериев оценивания показателей надежности ИН; теоремы и т.д., то есть всю совокупность инструментов позволяющих решать задачи оценки надежности СИС различных классов.
2. Концепция анализа надежности СИС, основанная на способе размена вычислительной сложности, и открывающая новое направление создания экономных методов и методик анализа и синтеза СИС реального времени.
3. Концепция построения коммутируемых СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур, основанная на использовании при описании модели ИН коммутируемых СИС двойных встречно-соединенных дополненных древовидных структур с разнотипным соединением узлов, открывающая новое направление создания экономных методов и методик анализа и синтеза коммутируемых СИС реального времени
4. Концепция формирования критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза СИС, основанная на использовании приоритетных методов, и позволяющая разрабатывать на ее основе методики расчета критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза частично коммутируемых и коммутируемых СИС.
5. Метод приоритетных путей анализа надежности частично коммутируемых СИС, основанный на новой концепции анализа надежности СИС, и позволяющий разрабатывать экономные методики и алгоритмы, работающие в реальном масштабе времени.
6. Метод приоритетных сечений анализа надежности коммутируемых СИС, основанный на новой концепции анализа надежности СИС и концепции построения коммутируемых СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур, и позволяющий разрабатывать экономные методики и алгоритмы, работающие в реальном масштабе времени.
7. Методика оценки надежности ИН частично коммутируемых и некоммутируемых СИС, основанная на методе приоритетных путей, и позволяющая использовать ее для управления функционированием частично коммутируемых СИС в реальном масштабе времени.
8. Методика оценки надежности ИН коммутируемых СИС, основанная на методе приоритетных сечений, и позволяющая использовать ее для управления функционированием коммутируемых СИС в реальном масштабе времени.
9. Методика оценки эффективности реализации потенциальной структурной надежности ИН частично коммутируемых СИС, основанная на методе приоритетных путей, и позволяющая органам управления осуществлять более обоснованный выбор варианта распределения путей на СИС, с учетом достижения требований по надежности ИН.
10. Методика расчета критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза частично коммутируемых СИС, основанная на методе приоритетных путей, и позволяющая при расчете критериев оценивания показателей надежности ИН учитывать их структуру и параметры путей их составляющих.
11. Методика расчета критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза коммутируемых СИС, основанная на методе приоритетных сечений, и позволяющая при расчете критериев оценивания показателей надежности ИН учитывать их структуру и параметры сечений их составляющих.
Обоснованность научных положений достигнута путем системного рассмотрения исследуемой проблемы, достаточно полного учета многократно проверенных на практике, исходных данных, сочетанием формальных и неформальных методов исследования, проверкой и сопоставимостью отдельных результатов в рамках известных теоретических положений, используемых в существующих теоретических аспектах информатики и теории надежности.
Достоверность научных положений обеспечивается: системностью исследования и решения поставленных проблем и задач; использованием общенаучного, специальных, формальных и неформальных методов, апробированного математического аппарата, выбором корректных и учетом достаточно полных объективных исходных данных; результатами моделирования, полученными при проведении исследовательских командно-штабных игр, в ходе практической деятельности органов управления различных ведомств, учебном процессе вузов, НИР; сходимостью теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований; математической корректностью поставленных задач; статистической достаточностью исходного объема анализируемых информационных источников; непротиворечивостью известным и применяемым в работе теоретическим, практическим и нормативным положениям, концепциям, закономерностям.
Научные положения выносимые на защиту. Разработанные в диссертации теоретические положения, развивающие методологию анализа и синтеза СИС реального времени, содержат следующие новые научно обоснованные результаты, которые выносятся на защиту:
1. Методология анализа и синтеза СИС реального времени на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур.
2. Концепция анализа надежности СИС основанная на способе размена вычислительной сложности.
3. Концепция построения коммутируемых СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур.
4. Концепция формирования критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза СИС на основе приоритетных методов.
5. Метод приоритетных сечений анализа надежности ИН коммутируемых СИС реального времени.
6. Метод приоритетных путей анализа надежности ИН частично коммутируемых СИС реального времени.
7. Методика оценки надежности ИН частично коммутируемых и некоммутируемых СИС.
8. Методика оценки надежности ИН коммутируемых СИС.
9. Методика расчета критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза частично коммутируемых СИС на основе метода приоритетных путей.
10. Методика расчета критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза коммутируемых СИС на основе метода приоритетных сечений.
Теоретическая значимость работы состоит в развитии методологии анализа и синтеза СИС РВ, развивающей общую методологию анализа и синтеза СИС различных классов. Предложенная методология анализа и синтеза СИС РВ включает новые теоретические положения, совокупность которых представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение для повышения эффективности системы информационного обеспечения деятельности государства. Эти теоретические положения, содержащие понятийный базис, концепции анализа надежности СИС и построения коммутируемых СИС на основе встречно-соединенных дополненных древовидных структур, формирования критериев оценивания показателей надежности ИН, математические модели СИС, методы приоритетных путей и приоритетных сечений для оценки надежности СИС, алгоритмы, методики оценки надежности ИН и расчета критериев оценивания показателей надежности ИН, теоремы и другое, являются системно изложенными, научно-обоснованными техническими и технологическими решениями по оценке надежности СИС РВ, являющихся основой повышения эффективности системы информационного обеспечения органов государственной власти, деятельности хозяйствующих субъектов государства и граждан, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, развитие информационной сферы и информационного общества.
Практическая ценность и область применения результатов. Практическая значимость полученных в диссертационных исследований результатов заключается в доведении теоретических исследований до уровня практической реализации, а также в обеспечении возможности научно обоснованного решения важных для информационной сферы задач:
- повышение эффективности функционирования СИС за счет снижении временных затрат органов управления в ходе их проектирования и эксплуатации благодаря применению методик оценки надежности ИН коммутируемых и частично коммутируемых СИС с уменьшенной вычислительной сложностью, обеспечивающих, возможность управления реконфигурацией СИС в реальном масштабе времени;
- разработке практических рекомендаций органам управления по выработке и принятию оптимальных решений при создании и эксплуатации СИС с целью повышения их качества и надежности при изменении условий их функционирования;
- расчета органами управления количественных критериев оценивания показателей надежности СИС и ее компонентов: информационных направлений, на основе методик расчета критериев оценивания показателей надежности элементов коммутируемых и частично коммутируемых СИС, учитывающих их структуру и параметры путей и сечений их составляющих;
- совершенствовании научно-методического обеспечения подготовки специалистов в области сложных информационных систем, управления и обработки информации.
Внедрение результатов. Результаты диссертационных исследований внедрены:
1. В филиале ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Тверской области.
2. В ГОУ «Государственный центральный институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов» (ГОУ «ГЦИПК» г. Обнинск).
3. В Ресурсном центре системы образования Орловской области (г. Орел).
4. В ОАО "Измеритель" г. Смоленск.
5. В филиала ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Орловской области.
6. В Центре связи в Смоленской области.
7. В Орловской региональной академии государственной службы.
Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались:
на 8 Международных научно-технических конференциях: IV Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" (Москва, 1995); VI Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" (Москва, 1997); VIII Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем – 99" (Москва, 1999); X Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" (Москва, 2001); XI Международной научно–технической конференции «Системы безопасности –2002» (Москва, 2002); XII Международной НТК «Системы безопасности» (Москва, 2003); XIII Международной конференции "Информатизация и информационная безопасность правоохранительных систем" (Москва, 2004); XVI Международной НТК «Системы безопасности» (Москва, 2007);
на 3 Всероссийских научно-технических конференциях: I Всероссийской научной конференции «Проблемы создания и развития информационно–телекоммуникационных систем специального назначения» (Орел, 1997); IV Всероссийской научной конференции «Проблемы создания и развития информационно–телекоммуникационных систем специального назначения» (Орел, 2005); II Всероссийской научно-практической конференции «Методы и средства технической защиты конфиденциальной информации» (Обнинск, 2005);
на 2 Межведомственных научно-практических конференциях: Межведомственной научно-практической конференции «Проблемы непрерывного профессионального образования в ФАПСИ, роль и место в их решении Военного института правительственной связи» (Орел, 1993); Межведомственной научно-практической конференции ФАПСИ «Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи» (Орел, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 научных работ, в том числе: 4 монографии; 7 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях входящих в Перечень ВАК; 33 выступления на международных и всероссийских конференциях и работ депонированные в ВИНИТИ; 15 статей в других изданиях.
Личный вклад автора, в работах опубликованных в соавторстве. В совместных статьях лично соискателем выполнено следующее. В работе [44] уточнены место и роль надежности СИС в обеспечении их эффективного функционирования. В статьях [17,25,30,46-48,50] исследованы направления возможных подходов к анализу надежности СИС. В работах [21,59] проведен анализ возможностей перспективных комплексов связи по обеспечению динамической реконфигурации структуры СИС. В статьях [22,24,34,53,55] предложена математическая модель СИС для анализа надежности ее ИН приоритетными методами. В работах [10,11,18,39,40,41,54,56] разработаны методики оценки надежности ИН частично коммутируемых СИС на основе метода приоритетных путей. В статьях [16,33] предложена методика оценки живучести ИН СИС на основе приоритетных методов. В работах [43,49,58] предложена новая концепция формирования критериев оценивания показателей надежности ИН для синтеза СИС, основанная на использовании приоритетных методов. В статье [51] представлено развитие методического аппарата оценки эффективности функционирования СИС.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 213 страницах. Она содержит 31 рисунок, 35 таблиц и список литературы из 252 наименований.
