Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ эффективности информационных структур и процессов охранных систем 11
1.1. Анализ функционирования охранных систем объектов особой важности .11
1.2. Анализ моделирования охранных систем объектов особой важности .19
1.3. Постановка задачи исследования 33
1.4. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. Разработка модели информационного взаимодействия элементов охранных систем с негативными воздействиями 39
2.1. Разработка моделей охранных подсистем объектов уголовно-исполнительной системы и моделей негативных воздействий 39
2.2. Разработка моделей взаимодействия охранных систем объектов уголовно-исполнительной системы с негативными воздействиями 48
2.3. Математическая модель устойчивого взаимодействия охранных систем и негативных воздействий 58
2.4. Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Разработка имитационной модели оценки устойчивости функционирования информационных структур охранных систем в условиях негативных воздействий 76
3.1. Экспериментальное моделирование взаимодействия охранных систем и негативных воздействий .76
3.2. Разработка имитационной модели и алгоритмов устойчивого взаимодействия охранных систем и негативных воздействий .89
3.3. Выводы по главе 3 117
ГЛАВА 4. Разработка программно-алгоритмической реализации анализа имитационной модели устойчивого взаимодействия охранных систем с негативными воздействиями 118
4.1. Описание программно-алгоритмического комплекса «Взаимодействие ОС и НВ» 118
4.2. Иллюстрация работы программно-алгоритмического комплекса «Взаимодействие ОС и НВ» на основе усредненного по характеристикам объекта УИС .130
4.3. Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Список литературы
- Анализ моделирования охранных систем объектов особой важности
- Разработка моделей взаимодействия охранных систем объектов уголовно-исполнительной системы с негативными воздействиями
- Разработка имитационной модели и алгоритмов устойчивого взаимодействия охранных систем и негативных воздействий
- Иллюстрация работы программно-алгоритмического комплекса «Взаимодействие ОС и НВ» на основе усредненного по характеристикам объекта УИС
Анализ моделирования охранных систем объектов особой важности
В настоящее время очень остро стоит проблема обеспечения охраны и безопасности, а также сохранности материальных ценностей различных объектов особой важности (ООВ). Совокупности угроз, воздействующих на ООВ в виде различного рода негативных воздействий (НВ), могут значительно различаться между собой. В связи с этим изменениям подвергаются и функции охранных систем (ОС), а также конфигурации их построения. К ООВ силовых и правоохранительных структур предъявляются особые требования по их оснащению ОС с определенной совокупностью инженерно-технических средств охраны и надзора (ИТСОН), которая представляет собой системы и устройства сбора, обработки и хранения информации.
В настоящее время необходимо решить актуальную задачу повышения эффективности оборудования ООВ элементами ОС на основе разработки новых моделей и алгоритмов формирования информационных структур (ИС) и информационных процессов (ИП), адекватно описывающих специфику функционирования технических комплексов ОС, а также особенности профессиональных задач.
Разработка моделей и алгоритмов исследования эффективности ИС и ИП в ОС ООВ является довольно трудоёмкой задачей. В диссертационной работе рассматриваются ОС ООВ Федеральной службы исполнения наказаний (ФСИН) России, основой которых являются специализированные интегрированные системы безопасности (ИСБ).
Функционирование ИП и ИС в ОС ФСИН вызывает интерес у отдельных лиц, различных группировок, общественно-политических движений и средств массовой информации, которые пытаются использовать полученные сведения в корыстных целях, что способствует увеличению количества НВ на ОС ООВ ФСИН. Увеличение количества НВ на ОС ООВ ФСИН требует модернизации систем парирования негативных воздействий, а также проведения анализа устойчивости функционирования данных ОС. Для обеспечения требуемой эффективности ИП и ИС в ОС ФСИН необходимо разработать новые модели и алгоритмы анализа устойчивого функционирования данных ОС, что является актуальной задачей в рассматриваемой предметной области.
Исследование и анализ эффективности функционирования ОС ООВ по ряду направлений проводились как в России, так и в странах зарубежья. Определенный вклад в развитие данной сферы научных знаний внесли В.И. Сумин, С.В. Скрыль, А.А. Попов, А.В Мельников и другие учёные. Работы этих авторов были посвящены общему анализу функционирования ОС, оптимизации временных показателей преодоления нарушителем элементов комплекса ИТСОН, исследованию оптимальности размещения элементов ОС и их эффективного использования на объектах охраны и т.д. Однако вопросам исследования особенностей взаимовлияния сложно структурированной ОС с системой НВ в условиях эволюции их элементов уделено недостаточное внимание.
Тематика диссертационного исследования соответствуют требованиям Концепции развития уголовно-исполнительной системы Российской Федерации до 2020 года в плане разработки инновационных технологий и подходов к организации комплексной безопасности ООВ.
Таким образом, совершенствование информационных структур и информационных процессов ОС ФСИН на основе разработки адекватных моделей их функционирования является актуальной задачей данной предметной области.
Цели и задачи диссертационного исследования: Целью работы является совершенствование информационных структур и процессов охранных систем на основе разработки адекватных моделей их функционирования. Для достижения цели диссертационного исследования были сформулированы и решены следующие задачи: 1. Построение модели информационной структуры охранной системы, учитывающей специфику динамики её эволюции. 2. Построение модели информационного взаимодействия элементов охранных систем в условиях негативных воздействий. 3. Формализация задачи устойчивого управления информационным процессом взаимодействия охранных систем и негативных воздействий. 4. Разработка имитационной модели оценки устойчивости функционирования информационных структур охранных систем в условиях негативных воздействий. 5. Разработка программно-алгоритмической реализации анализа имитационной модели устойчивого взаимодействия охранных систем и негативных воздействий.
Объект исследования являются информационные структуры охранных систем в условиях негативных воздействий.
Предмет исследования являются методы устойчивого управления информационными процессами и структурами охранных систем в условиях негативных воздействий.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории множеств, теории графов, динамических систем, теории вероятностей и математической статистики, вычислительных экспериментов. Положения, выносимые на защиту: 1. Модели информационных структур охранных систем и их взаимодействия с негативными воздействиями. 2. Имитационная модель исследования эффективности функционирования информационных структур и процессов в условиях негативных воздействий. 3. Результаты вычислительных экспериментов, подтверждающие возможность определения границы области устойчивого управления информационными процессами взаимодействия охранных систем в условиях негативных воздействий.
Разработка моделей взаимодействия охранных систем объектов уголовно-исполнительной системы с негативными воздействиями
В любом государстве существует задача осуществления охраны различных объектов, в том числе объектов, имеющих важное стратегическое значение в области обеспечения стабильного функционирования административных и управленческих структур. Совокупность объектов данного типа в связи со специализированной направленностью их деятельности принято называть объектами особой важности (ООВ) [1, 2, 3]. Изначально охрана ООВ любого государства обеспечивалась на уровне физических лиц, но в связи с научно-технической революцией функция охраны ООВ помимо физической составляющей приобрела и техническую компоненту, выраженную в широком применении специальных технических средств охраны, функционирующих на основе различных физических законов. К силовым и правоохранительным структурам, отличающимся совокупностью целевых функций и использующим в своей деятельности технические средства охраны будем относить: Министерство внутренних дел (МВД), Федеральную службу безопасности (ФСБ), Федеральную службу охраны (ФСО), Федеральную службу исполнения наказаний (ФСИН), Министерство обороны (МО). ООВ данных силовых и правоохранительных структур являются, в частности, атомные станции, склады хранения оружия и боеприпасов, хранилища больших материальных ценностей и информационных ресурсов, учреждения, в которых содержатся преступные элементы, и т.д. Важность осуществления охраны этих ООВ не вызывает сомнения. В связи с этим к объектам этих организаций предъявляются особые требования по их оснащению охранными системами (ОС) с определенной совокупностью технических средств, которая представляет собой системы и устройства сбора, обработки и хранения информации [4]. Совокупности угроз ООВ в виде различного рода НВ могут значительно различаться между собой. В связи с этим изменениям подвергаются и функции ОС, а также конфигурации их построения. Примерами НВ для ООВ рассматриваемых структур могут служить силовые атаки с использованием специальных технических средств, сетевые кибератаки на инфокоммуникационные интрасети и базы данных, нарушение работоспособности оборудования технических комплексов охраны и связи, применение элементов информационной войны и т.д. Для ООВ силовых и правоохранительных структур некоторые виды НВ могут совпадать [5, 6].
Необходимо подчеркнуть тот факт, что в связи с эволюцией технических средств охраны, эволюционному развитию подвержены и элементы НВ, в связи с чем при построении любой структуры ОС необходимо учитывать не только специфику развития её элементов, но и динамику эволюции НВ. Кроме того, особую важность представляет рассмотрение особенностей взаимодействия элементов ОС и НВ в условиях эволюции и старения их элементов и протекающих при этом информационных процессов (ИП).
Данное диссертационное исследование на примере ФСИН России рассматривает специфику взаимодействия элементов ОС и НВ с учетом динамики их эволюции. Основными объектами ФСИН России в аспекте данного научного исследования являются учреждения и органы, в которых содержатся осужденные лица, а также лица, подозреваемые и обвиняемые в совершении преступлений различной степени тяжести и социальной опасности [6].
С целью обеспечения надежной охраны и изоляции от общества данных лиц на подведомственных ФСИН России ООВ устанавливаются комплексы инженерно-технических средств охраны и надзора (ИТСОН) [8]. Совместно с ними может применяться аппаратура противодействия несанкционированному использованию аппаратов сотовой связи, а также другая специальная техника, не снижающая эффективности применения элементов ИТСОН.
ИТСОН применяются с целью создания условий для предупреждения и пресечения побегов, других преступлений и нарушений установленного режима содержания осужденных и лиц, содержащихся под стражей, повышения эффективности надзора за ними и получения необходимой информации об их поведении, а также для обеспечения выполнения других служебных задач, возложенных на учреждения и органы уголовно-исполнительной системы (УИС).
В зависимости от назначения, места установки и решаемых подразделениями и службами учреждений ФСИН России тактических задач инженерные сооружения, конструкции и коммуникации, электро- и радиотехнические системы, а также устройства сбора и обработки информации могут подразделяться на инженерно-технические средства охраны (ИТСО) и инженерно-технические средства надзора (ИТСН), а в зависимости от физико-механических свойств элементов, принципа работы и материалов изготовления -на инженерные средства охраны и надзора (ИСОН) и технические средства охраны и надзора (ТСОН). ИТСО устанавливаются в зонах охраны ООВ УИС для обеспечения выполнения задач по его охране и требований, предъявляемых к пропускному режиму на объект (с объекта). ИТСН устанавливаются на внутренней территории ООВ, а также в специальных зданиях и помещениях для обеспечения установленного режима содержания осужденных и лиц, содержащихся под стражей, и выполнения задач по надзору за ними.
Разработка имитационной модели и алгоритмов устойчивого взаимодействия охранных систем и негативных воздействий
Принцип максимальной неопределенности (максимальной энтропии) эквивалентен принципу максимальной экспансии ИнС S3, т.е. количественному росту её структуры, что, в свою очередь, является определяющим с точки зрения постановки задачи рационального выбора затрат при задаваемом уровне устойчивости к НВ. ИнС S3 в своей динамике относится к классу сложных открытых систем. Представим математическую модель ИнС S3, включающую основные законы теории вероятностей и математической статистики и отражающую динамику многочисленных связей, присущих этой информационной системе [86, 87, 88].
Необходимо отметить, что ИнС S3 рассматривается с позиций упорядоченной совокупности функционально взаимосвязанных элементов. Данную совокупность будем характеризовать теми же свойствами, что и информационную систему S3 в целом: свойством динамического функционирования и определенности поведенческой реакции, свойством целостности, иерархичностью структуры. Свойства ИнС S3 формируются исходя из представлений об устойчивом управлении во времени ИП взаимодействия её элементов с НВ.
Рассмотрим ИнС S3 как открытую динамическую систему (ОДС), целью недопущения вырождения (рассеяния) элементов которой, а также потери ими своих целевых свойств и качеств, является их эволюционное развитие. Важно заметить, что одним из свойств ОДС является их обмен с окружающей средой энергией [89].
С учетом вышесказанного, а также на основе решаемых в диссертационном исследовании задач особый интерес вызывают вопросы анализа устойчивости функционирования ОС ООВ в условиях НВ с точки зрения рассмотрения ИнС S3 как диссипативной (неравновесной) структуры, требующей непрерывного обмена энергией с внешней средой [90, 91]. Под устойчивостью ИС ОС будем понимать способность её элементов противостоять различного рода НВ, что обеспечивает не только «выживание» ИнС S3, но и преемственность в её эволюции.
Эволюцию ИнС с неравновесными структурами будем рассматривать как переход в новое состояние с более низкой мерой неопределенности, т.е. возрастание организации ИнС S3. В неравновесном взаимодействии элементов ИС S3 и S2 понижение порядка возможно только при наличии НВ, удерживающего ИнС S3 вдали от равновесного состояния. В условиях изоляции ИнС S3, а именно отсутствия НВ, в неравновесных ситуациях имеют место диссипативные ИП, связанные с рассеянием энергии (информации) и разрушением ИС ОС, в результате чего ИнС S3 деградируют к состоянию равновесия. Взаимодействие элементов ИС S3 и S2 создает потенциальную возможность скачкообразного перехода ИнС S3 в новое состояние. Скачок является реакцией ИнС S3 на НВ с целью его компенсации с учетом того, что ИнС S3 переходит не в старое yi – выходное состояние, а в состояние yi+1, характеризуемое более высокой степенью устойчивости, развиваясь при этом через временную неустойчивость. Как следствие, формирование более упорядоченных ИС ОС, развивающихся через флуктуации. Необходимо отметить, что для ИнС, находящихся в равновесном состоянии либо состояниях, близких к нему, эволюционное развитие в принципе невозможно вследствие достаточно высокой степени устойчивости к НВ.
Изменение выходного состояния ИнС S3 любой структурной сложности в условиях НВ осуществляется при наличии двух сопряженных ИП: сохранения устойчивости и временного нарушения устойчивости. В связи с этим устойчивость ИнС S3 целесообразно рассматривать уже с позиции такого термина, как «динамическая» устойчивость открытой информационной системы S3 в результате ИП её авторегуляции и самоорганизации. Понятие «динамической» устойчивости ИнС S3 рознится с её статическим представлением для равновесных ИС [93, 94, 95].
Достижение ИнС S3 состояния устойчивого функционирования в условиях НВ невозможно без эволюции её компонент, которая, в свою очередь, характеризуется не только процессами концентрации информации, но и её рассеяния (вырождения) в связи с ростом спецификации элементов ИС ОС. Обратный эволюционный процесс связан с потерей элементами ИнС S3 своей параметрической сложности и, как следствие, затуханием ИП устойчивого управления взаимодействием элементов ИС ОС и НВ. Этот процесс характеризуется переходом кривой распределения вероятности доступа НВ к элементам ИС ОС, описываемой функцией отрицательной экспоненты, в кривую экспоненциального роста данной вероятности. Данный переход сопровождается ИП диссипации ИС ОС, а именно процессом старения элементов ИС S3 [94, 96, 97].
Конкретизируем причины появления свойств диссипации [98]: вероятностный характер устойчивого управления ИП взаимодействия ИС ОС и НВ; потеря элементами ИС S3 «параметрической» сложности и, как следствие, изменение «структурной» в сторону её понижения, что в конечном итоге характеризуется переходом ИС ОС в неустойчивое состояние; способность реализации элементами S2 совокупности отдельных НВ в ограниченной области организации ОС, а именно воздействие только на однотипные элементы ИС ОС; способность реализации элементами S2 совокупности отдельных НВ на ИС ОС в течение определенного временного интервала.
Исходя из этого, динамику развития элементов ИС S3 с учетом изменения НВ рассмотрим на примере локализации процесса организации ОС и анализа множества её состояний. Данный подход позволяет, в свою очередь, контролировать поведение диссипативных систем. Очевидно, что изменение ИС S3 является фактором изменения меры поведенческой неопределенности ОС в условиях НВ и, как следствие, необходимости анализа ИП взаимодействия элементов S3 и S2 на предмет его устойчивого управления.
Это представление указывает на рациональность использования второго метода Ляпунова (прямой метод Ляпунова) в построении математической модели устойчивого функционирования ИС ОС в условиях НВ [71]. Исследование поведения ИнС S3, обладающей свойствами как диссипативности, так и устойчивости, возможно на качественно новом уровне путем решения системы дифференциальных уравнений возмущенного движения [67, 68].
Иллюстрация работы программно-алгоритмического комплекса «Взаимодействие ОС и НВ» на основе усредненного по характеристикам объекта УИС
Необходимо отметить, что при изменении параметров исследуемой модели может изменяться не только расположение аттракторов в пространстве, но и возникновение новых, а также прекращение существования старых [134]. Под аттрактором, в соответствии с теорией устойчивости по Ляпунову, будем понимать некоторую область (фазовую окрестность) пространства {YJ, которая представляет собой совокупность концентрических окружностей в виде множества точек, притягивающих траектории эволюции элементов ИС S3 и указывающих на области её устойчивого функционирования [68]. Иными словами, аттрактор представляет собой предельную траекторию в фазовом пространстве, к которой стремится со временем эволюция динамической системы.
В первом случае изменения фазового портрета будет происходить простое перемещение аттракторов по фазовой плоскости, без изменения их типов и количества. Во втором случае фазовый портрет динамической системы будет коренным образом перестраиваться. Критическое сочетание параметров, при которых фазовый портрет системы качественно меняется, называется в теории динамических систем точкой бифуркации. Различный характер фазовых портретов зависимости состояний ИнС S3 как объекта теории автоматического регулирования представлен на рис. 3.12, 3.14 и 3.16, и определяется переменной V: - при V = 0 справедлив классический подход к определению устойчивости функционирования информационных систем [135] (рис. 3.12); - при V # 0 справедливо суждение о нейтрально неустойчивых системах и наличии для траектории их эволюции аттрактора [110] (рис.3.14, 3.16).
Поясним понятие бифуркации на примере анализируемой имитационной модели оценки устойчивости функционирования элементов ИС ОС в условиях НВ, которая зависит от параметра V. При V # 0 существует устойчивая фазовая окрестность (аттрактор типа «фокус») на которую «накручивается» решение ДУ (рис. 3.14, 3.16), которая в точке бифуркации V = 0 вырождается. При этом решения ДУ представляют собой циклы с амплитудой, которая существенно зависит от начальных условий (рис. 3.12). Для определения фазовой окрестности пространства, притягивающей траектории эволюции элементов ИС S3 и указывающей на области её устойчивого функционирования, необходимо многократное решение системы ДУ с учетом подстановки различных начальных условий и параметров.
С учетом вышесказанного необходимо отметить, что при V = 0 ИС S3 можно квалифицировать как систему, которая не принимает во внимание практику взаимодействия с элементов ИС S2, т.е. не обладает памятью.
ИС S3 при V Ф 0 присуще свойство накопления опыта, либо памяти о результатах взаимодействия с ИС S2 в условиях эволюции и старения их элементов (рис. 3.13 - 3.16).
В этой связи необходимо отметить, что при переходе ИС S3 в качественно новое состояние, соответственно Mn,i »5 и Mn,i 7 (рис. 3.14 и 3.16), динамика развития её элементов Мп,2 стремится к нулю.
Рассматривая ИнС S3, которая, как мы выяснили, развивается через временную неустойчивость и возвращается в некое устойчивое состояние, отличное от исходного, определим зависимость её состояний от значений параметрической сложности элементов исследуемых ИС. Анализ имитационной модели оценки устойчивости функционирования элементов ИнС S3 в условиях НВ на примере рисунка 3.16, показал, что при данной динамике развития элементов ИС S2 и S3 доступными в плане их преодоления будут не более 41 % элементов ИС ОС (7 « 7) при условии задействования в эксперименте порядка семнадцати элементов S3. Иными словами, ИС ОС с заданным уровнем сложности будет устойчива к НВ за счет использования всего лишь 41 % своих ресурсов. Определение размерности целочисленного пространства, характеризующего устойчивое функционирование ИС S3 в условиях НВ (максимальное количество преодоленных элементов ИС S3, Y « 7), стало возможным благодаря анализу фазового портрета состояния ИС ОС (рис. 3.16) на предмет определения фрактальной размерности аттрактора (є-окрестность) в соответствии с выражением (2.19) п. 2.3 теоремы Такенса [78, 88].
В области данного научного исследования не стоит ограничиваться решением только лишь дифференциального уравнения (2.34). Рассмотрим на основе численных методов и в соответствии с алгоритмом «Анализ состояний ИС S3 во времени при фиксированных начальных значениях параметрической сложности её элементов» решение уравнения (2.33). Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 3.17.
