Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ системной роли информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности. постановка научной задачи 13
1.1 Анализ требований системообразующих международных и отечественных стандартов 13
1.2 Определение интегральных показателей эффективности информационных процессов 26
1 3 Анализ влияния информационных процессов на повышение качества и безопасности функционирования систем 31
1.4 Анализ существующих методов оценки эффективности информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем 35
1.5 Постановка научной задачи обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем 43
16 Выводы 50
2. Разработка математических и программных моделей информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем 52
2.1 Развитие существующих моделей для анализа интегральных показателей 52
2 2 Разработка математических моделей информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и составных компонентов 58
2 3 Программная реализация в комплексе
«Проектирование архитектуры» 63
2 4 Программная реализация в комплексе «Анализ безопасности» 69
2 5 Обоснование адекватности предлагаемых моделей 74
2 6 Разработка методики оценки эффективности информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем... 77
2.7 Выводы 84
3. Разработка методики обоснования рациональных значений параметров информационных процессов. апробация предложенных моделей и методик 85
3.1 Разработка методики обоснования рациональных значений параметров информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности, организационно-технических мер и управляющих воздействий в жизненном цикле систем 85
3.2 Применение предлагаемых моделей на стадии эскизного проектирования корпоративной информационной системы 90
3.3 Обоснование способов повышения надежности корпоративной информационной системы на стадии технического проектирования 98
3.4 Применение предлагаемых моделей для анализа вариантов построения робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта 111
3.5 Обоснование рациональных значений параметров информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности для системы теплоснабжения 122
3.6 Выводы 137
Заключение 139
Список использованных источников
- Анализ влияния информационных процессов на повышение качества и безопасности функционирования систем
- Постановка научной задачи обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
- Разработка математических моделей информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и составных компонентов
- Применение предлагаемых моделей на стадии эскизного проектирования корпоративной информационной системы
Введение к работе
По данным Министерства информационных технологий (ИТ) и связи в 2005г объем рынка информационно-коммуникационных технологий в России превысил 1 трлн. рублей, а вклад ИТ-отрасли в прирост ВВП становится соизмеримым с приростом от нефтедобычи Это свидетельствует о перспективности и широкомасштабности использования ИТ в различных областях функционального приложения Практика показывает, что из-за наличия различного рода угроз, сложности логической архитектуры и невозможности полной проверки программного обеспечения в современных системах всегда присутствуют остаточные риски негативного развития событий Под системой согласно ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288 «ИТ Системная инженерия. Процессы жизненного цикла систем» понимается комбинация взаимодействующих элементов, упорядоченная для достижения одной или нескольких поставленных целей Как следствие различного рода угроз и повышения технической сложности снижается качество функционирования систем, например, из-за ненадежности программно-технических средств, ненадлежащего выполнения функций человеком, несанкционированного изменения, копирования программ и данных, нарушения своевременности доступа к ним легальных пользователей и др Под качеством функционирования системы согласно ГОСТ 15467 «Управление качеством продукции Основные понятия Термины и определения» понимается совокупность ее потребительских свойств (в приложении к информационным системам по ГОСТ РВ 51987 «ИТ. КСАС Типовые требования и показатели качества функционирования информационных систем Общие положения» к таковым свойствам в первую очередь относятся свойства надежности и своевременности представления информации и выполнения технологических операций, свойства полноты, достоверности и конфиденциальности информации) Одним из необходимых условий управления качеством являются контроль и мониторинг состояний и принятие мер по поддержанию целостности системы, те такого ее состояния, при котором обеспечивается достижение целей функционирования. Сегодня эффективность мер по управлению качеством функционирования систем всецело зависит от качества циркулирующей информации, принимаемых системных решений и их реализаций. Центральное место в обеспечении
необходимой информацией о системе занимают информационные процессы (ИП) контроля, мониторинга и поддержания целостности (те процессы сбора, обработки и использования информации применительно к функциям контроля, мониторинга и поддержания целостности систем) От того, каковы характеристики непосредственно реализуемых ИП, существенно зависят результаты управляющих воздействий в жизненном цикле систем Как следствие более глубокого понимания роли и места ИТ в современных системах принципиально изменилось отношение к возможностям ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем. Произошло расширение области их приложения по сравнению с традиционными АСУ, где для выполнения этих функций нередко создавались специальные контрольно-технологические тракты Примером расширения приложений исследуемых ИП является оснащение современных квартир автоматизированными анализаторами потребления различного рода ресурсов или применение в газовых трубопроводах интеллектуальных датчиков, осуществляющих функции контроля технического состояния труб На основе получаемых данных на диспетчерских пунктах осуществляется мониторинг ситуаций и выработка оперативных мер поддержания целостности систем. За счет оперативной реакции это позволяет предотвратить многомиллионные ущербы. То есть ИП объективно играют ключевую роль в обратной связи для обеспечения широкого спектра прагматических эффектов на различных этапах жизненного цикла современных систем Обоснование рациональных характеристик ИП базируется на использовании теоретических основ информатики Однако, степень теоретической проработки вопросов оценки и обеспечения эффективности ИП оказывается недостаточной для разрешения возникающих практических проблем. Так, в настоящее время Главные конструктора руководствуются в работе положениями стандартов ГОСТ Р ИСО 9001-2001 «Системы менеджмента качества Требования», ГОСТ 34 602—89 «Информационная технология Комплекс стандартов на автоматизированные системы Техническое задание на создание автоматизированной системы», ГОСТ РВ 51987-2002 «Информационная технология Комплекс стандартов на автоматизированные системы Типовые требования и показатели качества функционирования информационных систем. Общие положения» и др, согласно которым заказчики и разработчики систем
должны использовать данные реализуемых ИП, определять критерии и методы, необходимые для обеспечения результативности и качества, осуществлять мониторинг, измерение и анализ протекающих процессов Однако, в отличие от моделей надежности технических средств (рекомендуемых в стандартах ГОСТ Р 51901-2002 «Управление надежностью. Анализ риска технологических систем», ГОСТ 27 301-96 с основными положениями по расчету надежности, ГОСТ Р 27.402-96 по планам испытаний для контроля наработки на отказ, ГОСТ Р 27 403 по планам испытаний для контроля вероятности безотказной работы), несмотря на логическую идентичность выполняемых функций ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности, унифицированного методического аппарата их анализа, применимого к системам различного функционального назначения, не существует.
Ретроспективный анализ работ в этой области свидетельствует о том, что с широким внедрением персональных ЭВМ сохранение старых принципов использования систем, сложившихся в эпоху 60-х (неавтоматизированного управления) и 70-х годов (управления на основе централизованной обработки информации с использованием крупногабаритных малонадежных ЭВМ) заранее обрекает современные системы на неэффективность К концу 80-х годов основные научные исследования в области качества были направлены на улучшение надежностных и вероятностно-временных показателей функционирования систем [1-Ю, 42-46, 49-55, 62-74, 82-83, 91-92 и др], снижение вероятности ошибки на один знак [11,12, 56 и др.], развитие концептуальных основ обеспечения защищенности электронно-вычислительной техники от несанкционированного доступа (НСД) [13, 76, 87 и др] и характеризовали лишь отдельные важные аспекты, определяющие эффективность реализуемых ИП Углубление научных основ обеспечения качества стало осуществляться с жестким учетом области функционального приложения систем (в частности, отдельно для АСУ технологическими процессами, АСУ предприятием с конкретной специализацией и др.) К началу 90-х годов стало полностью очевидным, что реальное повышение эффективности ИП должно базироваться на всестороннем обеспечении качества информации, циркулирующей в системе Созданию и практической реализации такой концепции предшествовали не только философский анализ роли
информации [14,15 и др], но и глубокие теоретические исследования в информатике, относящиеся к области качества информации [16-21, 40-45, 53, 58, 68-71 и др] Распространение существовавшего в теории информации энтропийного подхода, зародившегося для решения прикладных вопросов обеспечения рациональной передачи данных, в приложении к оценке эффективности ИП оказалось оправданным лишь для узкоспециализированных систем (например, электроэнергетических [см, например, 17]) Более того, в отличие от вероятностных показателей, позволяющих интерпретировать эффективность и риски на физически понятном уровне с нормировкой от 0 до 1, предлагавшиеся энтропийные показатели имели смысл лишь для относительного сравнения каких-либо альтернативных вариантов технических решений на уровне «лучше-хуже». Вопросы «Насколько лучше или хуже?» или «Какие риски считать приемлемыми?» оставались практически без ответа, поскольку не было понятной физической интерпретации расчетных результатов Это, в свою очередь, не позволяло осуществлять решение обратных задач системного обоснования требований к характеристикам применяемых информационных технологий. В итоге к концу прошлого века научно-технические вопросы обеспечения эффективности ИП, доведенные до уровня международных и отечественных стандартов, сводились к обеспечению надежности и отдельным показателям безошибочности передачи информации, вероятностно-временным показателям функционирования систем или качества программных средств (см, например, ГОСТ 28195-1989 «Оценка качества программных средств. Общие положения», ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-1993 «ИТ Оценка программной продукции Характеристики качества и руководство по их применению») Подразумевалось, что показатели должны позволять оценку достижения целей функционирования систем, но, поскольку формулировка целей - это прерогатива заказчика, то в каждом случае Главному конструктору приходилось создавать свои модели для доказательства качества системы Действительно, большая часть стандартов и сейчас не сопровождается адекватными математическими моделями для решения задач анализа и синтеза, свойственных системам любого рода независимо от области приложения.
С появлением современных информационных технологий семантическое содержание систем стали определять информационные системы (ИС) В отличие от технологических систем, результатом функционирования которой могут быть конкретные действия (например, выполнение функций робототехническими системами, управляемыми с борта космического корабля) либо какая-либо материальная продукция (например, компоненты автомобиля на автозаводе или тепло, поставляемое в дома в системе жилищно-коммунального хозяйства), входными данными и выходным результатом функционирования ИС является нематериальная информация, от качества которой зависит последующая эффективность системы в целом Вопросы многосторонней оценки качества функционирования информационных систем, в тч реализуемых в них ИП, рассматривались в работах В А. Балыбердина, Г В Дружинина, Ищука В А, В Д Киселева, В Ю Королева, К К Колина, А И Костогрызова, В В Кульбы, В.В Липаева, И А Мизина, А П Печинкина, И Н Синицына, И А Соколова, В.Г.Ушакова и др В данных работах предложены теоретические подходы к методам анализа функционирования сложных систем и безопасности информации, обрабатываемой в них Созданные модели доведены до уровня требований стандартов ГОСТ 34 602—89 «Техническое задание на создание автоматизированной системы» и ГОСТ РВ 51987-2002 «ИТ КСАС. Требования и показатели качества функционирования информационных систем Общие положения», однако, не в полной мере охватывают современные процессы жизненного цикла в системной инженерии
Сегодняшние системы - это системы со сложной логической архитектурой, на их создание тратятся десятки и сотни миллионов рублей Несмотря на то, что на уровне стандартов в последние годы осуществлен прорыв в области системной инженерии (например, на уровне стандарта ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288 «ИТ. Системная инженерия Процессы жизненного цикла систем»), определены понятия качества, декларированы требования необходимости оптимизации реализуемых ИП, до сих пор не было предложено достаточно универсальных математических моделей ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем, позволяющих оценивать и рационально использовать их влияние на качество систем в их жизненном цикле (имевшие место предложения использования
субъективных весовых коэффициентов на практике себя не оправдали) Налицо противоречие между возросшими практическими потребностями в необходимости всемерного повышения качества (в т ч безопасности) функционирования систем и сложившимися теоретическими возможностями информатики в удовлетворении этих потребностей за счет оптимизации реализуемых ИП Именно необходимость разрешения этого противоречия путем обнаружения и прагматического использования новых знаний о возможностях системы по итогам моделирования ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле обусловливает актуальность тематики исследований.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению научной задачи обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем. Объектом исследований являются ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем, а предметом исследований - показатели эффективности ИП на уровне интегральных показателей качества (и в частном случае - безопасности) функционирования систем в зависимости от характеристик ИП, организационно-технических мер и управляющих воздействий Целью исследований является повышение степени научно-методической обоснованности значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
Основными результатами, выносимыми на защиту, являются*
модели ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и их программная реализация в комплексах «Проектирование архитектуры» и «Анализ безопасности» (свидетельство Роспатента № 2004610858),
методика оценки эффективности ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем,
методика обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности, организационно-технических мер и управляющих воздействий в жизненном цикле систем
Научная новизна работы состоит*
в предложении оригинальных математических и программных моделей для оценки эффективности ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности
систем по интегральным показателям качества и безопасности их функционирования (без программной реализации применение предложенных математических моделей оказывается практически невозможным ввиду их высокой алгоритмической сложности),
в выработке методического подхода к обоснованию рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем.
Практическая значимость работы состоит.
в возможности практического использования предложенных моделей и методик дм систем различных областей приложения (проиллюстрировано на примерах для корпоративной информационной системы, робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, системы теплоснабжения г Жуковский Московской области, подтверждено актами реализации),
в использовании комплексов для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (акты 3 ЦНИИ Минобороны РФ и ЦНИИ машиностроения), в учебном процессе для проведения лабораторных работ, подготовки курсовых, дипломных работ студентами старших курсов по специализации «Стандартизация, моделирование и сертификация» в РГУ нефти и газа им ИМ Губкина и «Безопасность информации» в МИЭМ (подтверждено актами реализации)
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена корректностью применения теоретических основ информатики, теории вероятностей, теории регенерирующих процессов, математической статистики и методов системного анализа для построения моделей и методик, а также совпадением в частных случаях полученных формул с существующими (в частности, вероятности безотказного функционирования по ГОСТ 27 301-96 и вероятности отсутствия опасного воздействия на систему по ГОСТ РВ 51987) и совпадением полученных результатов моделирования с результатами статистических экспериментов и применения других вспомогательных моделей в ходе испытаний систем.
Результаты работы реализованы.
в эскизном и техническом проектах по созданию корпоративной информационной системы,
в отчетах о НИР, связанных с анализом ИП и систем по требованиям качества и безопасности функционирования, анализом робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, оптимизацией системы теплоснабжения г.Жуковский Московской области;
в учебных курсах «Стандартизация, моделирование и сертификация» в РГУ нефти и газа им И М.Губкина и «Безопасность информации» в МИЭМ
Апробация работы осуществлялась на образцах сложных систем различного назначения и подтверждена актами реализации 3 ЦНИИ Минобороны России, ЦНИИ машиностроения (г Королев), теплоэнергетической компании ЗАО "ИНГРАС-М", РГУ нефти и газа им Губкина, МИЭМ. Программные комплексы представлялись на отечественных и международных научно-технических форумах в России, Германии, Италии, Люксембурге, Украине Комплекс «Проектирование архитектуры» был отмечен в конкурсе «Дебют года» почетной грамотой РАН и Федерального агенства по информационным технологиям по результатам выставки «Softool-2005» Математические и программные модели используются для лабораторных работ и расчетов курсовых, дипломных работ и диссертаций в РГУ нефти и газа им. И М.Губкина, МИЭМ и ряде других учебных заведений
Работа состоит из введения, 3-х разделов и заключения. В первом разделе проведен анализ требований системообразующих международных и отечественных стандартов, предложены интегральные вероятностно-временные показатели для оценки эффективности ИП и проанализировано влияния ИП на качество и безопасность функционирования систем В завершение раздела на основе анализа существующих методов оценки эффективности сформулирована научная задача обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
Во втором разделе осуществлены развитие существующих моделей для анализа интегральных показателей и разработка математических моделей ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и составных компонентов Описана реализация математических моделей в программных
комплексах «Проектирование архитектуры» и «Анализ безопасности» Приведено обоснование адекватности предложенных математических и программных моделей и предложена «Методика оценки эффективности ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем»
Третий раздел посвящен разработке методики обоснования рациональных значений параметров информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности, организационно-технических мер и управляющих воздействий в жизненном цикле систем» в жизненном цикле систем. Работоспособность моделей и методик продемонстрирована на примерах их применения'
для оценки и обоснования рациональных технических решений Главного конструктора на стадиях эскизного и технического проектирования для корпоративной информационной системы,
для анализа робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта;
для анализа и обоснования характеристик ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности применительно к системе теплоснабжения г.Жуковский Московской области.
Основное содержание работы изложено на 150 листах, список используемых источников насчитывает 108 наименований
Печатные работы по теме диссертации - монография «Нистратов Г А, Костогрызов А И Стандартизация, математическое моделирование, рациональное управление и сертификация в области системной и программной инженерии. М. Изд "Вооружение, политика, конверсия", 2004, 2-е изд.-2005, 395с», 5 статей в научно-технических сборниках, в тч в журнале «Наукоемкие технологии», рекомендованном ВАК, и 11 докладов в материалах отечественных и международных научно-практических конференций [23-39].
Анализ влияния информационных процессов на повышение качества и безопасности функционирования систем
Практическая значимость работы состоит. в возможности практического использования предложенных моделей и методик дм систем различных областей приложения (проиллюстрировано на примерах для корпоративной информационной системы, робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, системы теплоснабжения г Жуковский Московской области, подтверждено актами реализации), в использовании комплексов для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (акты 3 ЦНИИ Минобороны РФ и ЦНИИ машиностроения), в учебном процессе для проведения лабораторных работ, подготовки курсовых, дипломных работ студентами старших курсов по специализации «Стандартизация, моделирование и сертификация» в РГУ нефти и газа им ИМ Губкина и «Безопасность информации» в МИЭМ (подтверждено актами реализации)
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена корректностью применения теоретических основ информатики, теории вероятностей, теории регенерирующих процессов, математической статистики и методов системного анализа для построения моделей и методик, а также совпадением в частных случаях полученных формул с существующими (в частности, вероятности безотказного функционирования по ГОСТ 27 301-96 и вероятности отсутствия опасного воздействия на систему по ГОСТ РВ 51987) и совпадением полученных результатов моделирования с результатами статистических экспериментов и применения других вспомогательных моделей в ходе испытаний систем.
Результаты работы реализованы. в эскизном и техническом проектах по созданию корпоративной информационной системы, в отчетах о НИР, связанных с анализом ИП и систем по требованиям качества и безопасности функционирования, анализом робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, оптимизацией системы теплоснабжения г.Жуковский Московской области; в учебных курсах «Стандартизация, моделирование и сертификация» в РГУ нефти и газа им И М.Губкина и «Безопасность информации» в МИЭМ
Апробация работы осуществлялась на образцах сложных систем различного назначения и подтверждена актами реализации 3 ЦНИИ Минобороны России, ЦНИИ машиностроения (г Королев), теплоэнергетической компании ЗАО "ИНГРАС-М", РГУ нефти и газа им Губкина, МИЭМ. Программные комплексы представлялись на отечественных и международных научно-технических форумах в России, Германии, Италии, Люксембурге, Украине Комплекс «Проектирование архитектуры» был отмечен в конкурсе «Дебют года» почетной грамотой РАН и Федерального агенства по информационным технологиям по результатам выставки «Softool-2005» Математические и программные модели используются для лабораторных работ и расчетов курсовых, дипломных работ и диссертаций в РГУ нефти и газа им. И М.Губкина, МИЭМ и ряде других учебных заведений
Работа состоит из введения, 3-х разделов и заключения. В первом разделе проведен анализ требований системообразующих международных и отечественных стандартов, предложены интегральные вероятностно-временные показатели для оценки эффективности ИП и проанализировано влияния ИП на качество и безопасность функционирования систем В завершение раздела на основе анализа существующих методов оценки эффективности сформулирована научная задача обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
Во втором разделе осуществлены развитие существующих моделей для анализа интегральных показателей и разработка математических моделей ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и составных компонентов Описана реализация математических моделей в программных комплексах «Проектирование архитектуры» и «Анализ безопасности» Приведено обоснование адекватности предложенных математических и программных моделей и предложена «Методика оценки эффективности ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности систем»
Третий раздел посвящен разработке методики обоснования рациональных значений параметров информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности, организационно-технических мер и управляющих воздействий в жизненном цикле систем» в жизненном цикле систем. Работоспособность моделей и методик продемонстрирована на примерах их применения - для оценки и обоснования рациональных технических решений Главного конструктора на стадиях эскизного и технического проектирования для корпоративной информационной системы, - для анализа робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта; - для анализа и обоснования характеристик ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности применительно к системе теплоснабжения г.Жуковский Московской области.
Основное содержание работы изложено на 150 листах, список используемых источников насчитывает 108 наименований
Печатные работы по теме диссертации - монография «Нистратов Г А, Костогрызов А И Стандартизация, математическое моделирование, рациональное управление и сертификация в области системной и программной инженерии. М. Изд "Вооружение, политика, конверсия", 2004, 2-е изд.-2005, 395с», 5 статей в научно-технических сборниках, в тч в журнале «Наукоемкие технологии», рекомендованном ВАК, и 11 докладов в материалах отечественных и международных научно-практических конференций [23-39].
Постановка научной задачи обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
В общем случае задача обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем сформулирована как задача определения таких значений параметров ИП, организационно-технических мер и управляющих воздействий, реализуемых с использованием ИП, на которых достигается минимум затрат при ограничениях на минимально допустимый уровень эффективности ИП (на этапах концепции и ТЗ, проектирования и разработки, производства и сопровождения) или максимум эффективности ИП при ограничениях на затраты (в процессе эксплуатации)
При этом окончательный выбор интегрального показателя (из предложенных в подразделе 1.2) отводится на откуп заказчику с учетом специфики создаваемой или эксплуатируемой системы Поскольку вероятностные показатели дают более высокие гарантии в оценках степени достижения целей по сравнению со средним значением, то при выборе рекомендуется в качестве основных использовать вероятностные показатели (т.е на уровне качества функционирования системы -вероятность обеспечения приемлемого качества функционирования в течение заданного периода времени, а на уровне безопасности системы - вероятность обеспечения безопасного функционирования в течение заданного периода времени) А показатели времени (те на уровне качества функционирования системы - наработка на нарушение приемлемого качества, а на уровне безопасности системы - среднее время безопасного функционирования как показатель ее стойкости к реализации угроз) предлагается использовать как вспомогательные.
Формально задача обоснования рациональных значений параметров ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем в общем случае сформулирована следующим образом:
а) на этапах концепции и ТЗ, проектирования и разработки, производства и сопровождения системы: параметры ИП, организационно-технические меры и управляющие воздействия с использованием ИП Q(S,TBoccr.,TJ u.,TK mm.JK шдоцТк ме ду,Ск ЭКспл.) признаются наиболее рациональными для заданного периода эксплуатации Тзад., если на них достигается минимум затрат на создание системы Zco№ при ограничениях Рдоп на вероятность обеспечения приемлемого качества функционирования системы Ркач. и допустимый уровень затрат Сдоп, при эксплуатации C3KCIUI. А:озд. (Qpau.) = m,n /-созд. (Q) при ограничениях Ркач. Рдош и СЭкспл. Сдоп.
б) в процессе эксплуатации системы по выбору заказчика" параметры ИП, организационно-технические меры и управляющие воздействия с использованием ИП Q (S,TB0CCT.,Tli№,Tk ТОДш,Ть „apyin.,TK междуА экш.0 признаются наиболее рациональными для заданного периода эксплуатации Т1ад., если на них достигается максимум наработки на нарушение приемлемого качества системы Т(С обсл.) при ограничениях на допустимый уровень затрат СД0Ь при эксплуатации С 1 (с обсл.) (Q рац.) = max (с обсл.) Q при ограничениях СЭКЯ1Л. Сдо11. или параметры ИП, организационно-технические меры и управляющие воздействия с использованием ИП Q (S,TB0CT.,TiaA,Tk у уят. к „аруш.,Тк междуА Эксш,.) признаются наиболее рациональными для заданного периода эксплуатации Т1ад., если на них достигается максимум вероятности обеспечения приемлемого качества функционирования системы Ркач. при ограничениях на допустимый уровень затрат Сдо„. при эксплуатации СЭКС11Л.: 1 кач. (QPau) = maxPKa4.(Q), Q при ограничениях Сэктл. Сдоп., где варьируемыми характеристиками ИП, организационно-технических мер и управляющих воздействий Q (S,TB0CCT ,Тзад, Тк yxyflni Тк ПаРуш Тк МСЖДУ) Ск ЭКС1Ш) являются - системные характеристики S - структура архитектурного построения системы (с параллельно-последовательным соединением компонентов), Твосст - время восстановления системы, Тзад - задаваемый период для оценки, Рзад - задаваемый допустимый уровень вероятностного показателя, - характеристики к-го компонента системы Тк ухудш - наработка на ухудшение функционирования компонента с начала эксплуатации или момента восстановления, Тк наруш - наработка на нарушение приемлемого качества с начала ухудшения функционирования компонента, Тк мезду - период между моментами контроля (и при необходимости восстановления) приемлемого качества компонента (поддержания целостности по регламенту технического обслуживания (сопровождения) системы),
Скэкспл -затраты на обеспечение функционирования компонента Параметрами оптимизации предлагаются следующие параметры ИП и системы в целом. - системные характеристики S - структура архитектурного построения системы (с параллельно-последовательным соединением компонентов), Твосст - время восстановления системы, - все перечисленные выше параметры каждого из составных компонентов системы.
Если структуру системы представить в виде одного компонента без технического обслуживания при наработке на нарушение приемлемого качества с начала ухудшения функционирования компонента, равной нулю (т.е любое ухудшение функционирование приводит к нарушению приемлемого качества, в этом случае характеристика Тк ухут представляет собой наработку системы на отказ), то частными случаями предлагаемой постановки задачи будут следующие постановки:
Разработка математических моделей информационных процессов контроля, мониторинга и поддержания целостности систем и составных компонентов
На основе комбинации существующих моделей (см подраздел 21) предлагаются две принципиально новые математические модели «Анализ проекта архитектурного построения системы» (далее по тексту «Модель ..4»), «Анализ комплексной безопасности» (далее по тексту «Модель ..5»)
Совокупность модифицированных моделей 1-3 и описываемых ниже моделей 4-5 образует множество предлагаемых моделей ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности для анализа интегральных показателей качества (безопасности) и обоснования рациональных характеристик ИП, организационно-технических мер и управляющих воздействий При этом необходимо учесть, что, если модифицированные «Модели .1-3» по-прежнему являются аналитическими (т е существуют конечные формулы для расчетов, те же, что указаны в подразделе 1.4), то для «Моделей 4-5» возможно лишь алгоритмическое решение. Это объясняется тем, что на вход модифицированной «Модели 1» должна подаваться такая характеристика, как наработка Значение этой наработки может быть вычислено лишь численно с задаваемой точностью по результатам построения ФР с использованием модифицированных «Моделей 2-3».
Суть логики предлагаемого расчета интегральных показателей для сложных структур в условиях потенциальных угроз с увеличенной (за счет поддержания целостности) наработкой мониторируемых элементов отражена на рис 2 2 1
При этом для программной реализации моделей приняты следующие допущения (обоснование - в подразделе 2.5) выделяемые для моделирования сложных систем структурные компоненты таковы, что их временные характеристики могут рассматриваться как независимые случайные величины; распределение времени восстановления системы, времени с начала эксплуатации или момента восстановления до ухудшения функционирования и времени с начала ухудшения функционирования до нарушение приемлемого качества компонента аппроксимировано экспоненциальным законом, соответственно, исходные данные Твосст, TKyxyOTIiTK„apy[n характеризуются средними значениями соответствующих случайных величин, время с начала эксплуатации или момента восстановления всей системы до нарушение приемлемого качества распределено по экспоненциальному закону; период между системными контролями целостности полагался постоянным, т к на практике регламентируется режимом технического обслуживания.
Таким образом, в подразделах 2 1 и 2 2 на базе комбинации существующих моделей надежности (не учитывающих возможностей управления ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности, но позволяющих проведение комплексных оценок для систем сложной структуры), «Модели для оценки защищенности системы от опасных программно-технических воздействий» и «Модели мониторинга безопасности системы» (учитывающих влияние ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности, но не позволяющих проведения комплексных оценок для систем сложной структуры) предложен принципиально новый комплекс математических моделей ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в приложении к сложным системам, логически представимым в виде параллельно-последовательных структур Комплекс применим для расчета предложенных интегральных показателей качества (безопасности) функционирования систем (см подразделы 1 2, 1 5), с теоретической точки зрения его использование позволяет повысить степень научно-методической обоснованности характеристик ИП контроля, мониторинга и поддержания целостности в жизненном цикле систем
Комплекс обеспечивает поддержку процесса проектирования архитектуры систем (с параллельно-последовательной логаческой структурой) в контексте требований стандарта ІБОЯЕС 15288 «Системная инженерия - Процессы жизненного цикла систем» В частности, он предназначен к применению для определения приемлемых проектов логической архитектуры; анализа вариантов декомпозиции функций системы, определенных в процессе анализа требований и поставить им в соответствие элементы архитектуры системы, формирования производных требований, необходимых для такого сопоставления, анализа итогового проекта архитектуры с целью установления проектных критериев для каждого элемента (в терминах системных характеристик), определения возможностей человека-оператора; оценки альтернативных проектных решений, моделируя их с той степенью детализации, которая позволяет сравнивать спецификации, выраженные в системных требованиях, с эксплуатационными характеристиками, стоимостными и временными показателями и рисками; поддержки взаимосвязи между архитектурой и системными требованиями.
Пользователями программного инструментария «Проектирование архитектуры» могут быть системные аналитики из состава заказчиков, проектировщиков, разработчиков и пользователей систем, экспертов испытательных лабораторий и органов по сертификации, а также служб контроля и обеспечения качества систем различного функционального приложения
Комплекс «Проектирование архитектуры» является 32-разрядным приложением, работающим под управлением ОС Windows 98/ 2000/ NT/ ХР Программа имеет оконный интерфейс. Работа пользователя с ней строится на принципах, принятых в ОС Windows Программа написана на языке C++
Применение предлагаемых моделей на стадии эскизного проектирования корпоративной информационной системы
В подразделе для доказательства работоспособности предложенных моделей описан анализ первых вариантов построения робототехнических систем и автоматизированной системы обеспечения жизнедеятельности космонавта На основе применения созданных моделей осуществлен анализ надежности функционирования варианта программно-технических средств системы управления роботом-манипулятором, используемым космонавтом, анализ надежности функционирования варианта технических средств автоматизированной системы жизнедеятельности (АСОЖ) космонавта, анализ надежности выполнения космонавтом функций управления манипулятором с использованием ненадежных средств
Расчеты проведены с использованием предлагаемого программного комплекса «Проектирование архитектуры». С учетом затрат на доставку грузов анализ надежности осуществлен по показателям. времени наработки на нарушение приемлемого качества функционирования, вероятности обеспечения приемлемого качества функционирования за 8 часов (один выход) и 48 часов (шесть выходов) работы космонавта
При расчетах полагалось, что затраты на функционирование системы при использовании в космосе составляют $20 за 1 грамм веса
Формализация схемы для расчетов с использованием модели «Анализ проекта архитектурного построения системы» отражена на рис. 3 4.1. Время восстановления системы после отказа - 2 суток.
Соединяемые формально последовательно подсистема 1 - пульт оператора (10кг), подсистема 2 - блок питания (20кг), подсистема 3 - центральный контроллер и рукоятка управления (10кг), подсистема 4 - средства манипулятора.
Компоненты подсистемы 4 (соединены параллельно, т.к. при отказе одного из них подсистема способна продолжать выполнение остающихся функций до тех пор, пока все компоненты не выйдут из строя): шарнир рыскания ключа (15кг); шарнир тангажа плеча (15кг); шарнир рыскания локтя (15 кг); шарнир тангажа локтя (15кг); шарнир рыскания кисти (10кг); шарнир тангажа кисти (10кг); шарнир ротации кисти (10кг); захватное устройство (5кг); видеокамера (5кг).
Наработка на ухудшение качества каждого из компонентов полагалась не менее одного года. С момента начала ухудшения качества наработка на полное нарушение работоспособности оценивалась в пределах 1% от наработки на ухудшение качества (т.е. около 3-х суток). Период между моментами восстановления работоспособности одного компонента полагался равным 2-м месяцам (за счет контроля состояния, восстановления или полной замены). Результаты расчетов показали следующее - см. рис 3.4.2-3.4.5. 1. Время наработки на нарушение приемлемого качества: подсистем 1,2,3 - 8766 часов (1 год); подсистемы 4 - 31293 часа ( 3.57 года); подсистем 1,2- 4383 часа (0.5 года); подсистем 1,...,3- 2922 часа (0.33 года); подсистем 1,...,4- 2672 часа (0.3 года).
Общие затраты на функционирование программно-технических средств системы управления манипулятором при использовании в космосе в течение месяца составят $2800000. При этом, если вероятность обеспечения приемлемого качества функционирования программно-технических средств системы управления манипулятором в течение одного выхода (8 часов) составляет 0.98, то в приложении к работам длительностью 48 часов эта вероятность снизится до 0.97 (за 1 месяц - до 0.77, за 2 месяца - до 0.65). Анализ результатов оценки рассмотренного варианта показал, что для повышения качества необходимо увеличение наработки на отказ пульта оператора, блока питания, центрального контроллера и рукоятки управления.
Формализация схемы для расчетов надежности функционирования первоначального варианта технических средств АСОЖ (без скафандра с оператором и системой управления манипулятором) с использованием модели «Анализ проекта архитектурного построения системы» отражены на рис 3 4 Время восстановления системы - 1 час (соизмеримое со сборкой АСОЖ тз готовых компонентов). С момента начала ухудшения качества наработка на полное нарушение работоспособности - порядка 1% от наработки на ухудшение качества (т.е. около 3-х суток). Срок службы системы - от 8 часов (один выход) до 48 часов (6 выходов). Период между моментами восстановления работоспособности каждого компонента полагается равным 1 месяцу (за счет полной замены оборудования).
Подсистема 1 - два вентилятора в горячем или холодном режимах (по 5кг каждый со временем наработки на ухудшение качества 150 часов), подсистема 2 -блок поглощения СО2 (Зкг со временем наработки на ухудшение качества 100 часов), подсистема 3 - теплообменник (Зкг со временем наработки на на ухудшение качества 100 часов). Подсистема 4 состоит из находящихся в горячем или холодном режимах соединяемых последовательно (каждый со временем наработки на ухудшение качества 100 часов): кислородного баллона (10кг) и двух агрегатов кислородного оборудования (по 5кг); баллона с аварийным запасом кислорода (10кг) и двух агрегатов аварийной системы (по 5кг). Наработка на нарушение работоспособности каждого компонента с момента начала ухудшения качества полагалась равной 1 часу. Результаты расчетов показали следующее - см. рис. 3.4.8-3.4.11. Время наработки на нарушение приемлемого качества: подсистемы 1 с резервированием вентиляторов в горячем режиме - 225 часов, с резервированием в холодном режиме - 300 часов; подсистемы 4-е резервированием кислородных баллонов и агрегатов кислородного оборудования в горячем режиме - 50 часов, с резервированием их в холодном режиме - 66.7 часа; подсистем 1,2 с резервированием вентиляторов в горячем режиме - 70 часов, с резервированием в холодном режиме - 75 часов; подсистем 1,..., 3 с резервированием вентиляторов в горячем режиме - 41 час, с резервированием в холодном режиме - 43 часа; подсистем 1,..., 4 - с резервированием вентиляторов, кислородных баллонов и агрегатов кислородного оборудования в горячем режиме - 22.5 часа, с их резервированием в холодном режиме - 26.1 часа.
