Анализ математической модели оптимизации ИВП в СПОИ

Военный научно – учебный центр Сухопутных войск «ОВА ВС РФ» 
 
 

     Кафедра № 31 
 
 

анализ  математической модели

оптимизации ИВП в СПОИ 
 

П О Я С Н И  Т Е Л Ь Н  А Я 

З А П И С К  А 

к курсовому проекту  
 
 

Руководитель  проекта

п/п-к                      М.Ю. Суркин

«    »___________2011 года 

Курсант 249-1 учебного отделения

В.Шкрабо

«    »___________2011 года 
 
 
 
 
 
 

                                                                              «Утверждаю»                

Руководитель  курсового проекта

п/п-к                          =М.Суркин=

«___»_______________2011г. 

Календарный план

Работы  над курсовым проектом

Курсанта 249-1 учебного отделения Шкрабо В.С. 

курсант                      =В.Шкрабо= 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

 Введение………………………………………….…………………………5

 1. Анализ  математической модели оптимизации  ИВП в СПОИ………..8

 1.1 Анализ  технических средств комплекса автоматизированного     

 управления  артиллерийскими формированиями ………………………..8

 1.2 Обоснование  подхода к оптимизации ИВП  в СПОИ……………….15

 1.3Анализ  общей математической модели  оптимизации ИВП в  

 СПОИ………………………………………………………………………17

 1.4 Анализ  модели распределения восстановительного резерва по

 узлам сети ЭВМ…………………………………………………………...29

 Заключение………………………………………………………………...35

 Список литературы………………………………………………………..36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Успех в современном бою может быть достигнут только объединёнными усилиями всех родов войск.

Большая огневая  мощь и ударная сила современных  средств борьбы, высокая подвижность  войск позволяют наносить сокрушительные удары по противнику и достигать  его разгрома в короткие сроки. В  связи с этим современный бой  отличается решительностью, высокой манёвренностью, динамичностью, быстрыми и резкими имениями обстановки .

         Главным направлением совершенствования  систем управления в настоящее  время считается комплексная  автоматизация процессов управления  с применением современных средств обработки и передачи данных.

     Постоянно стоит вопрос о необходимости  более быстро, более полно и  точно добывать, собирать и обрабатывать надежную информацию, оптимально использовать все имеющиеся силы и средства управления.  Решение этой проблемы требует разработки и практического применения методов оптимизации, основанных на использовании сетей ЭВМ в системах передачи и обработки информации (СПОИ). Такими системами являются комплексы автоматизированного управления (КАУ) войсками, применяющиеся в артиллерийских подразделениях. 

            Наиболее эффективными средствами  обработки информации в системах управления в настоящее время являются сети ЭВМ. На базе существующих сетей ЭВМ реализуется информационно-вычислительная технология обработки данных, основанная на обмене информацией между узлами сети в интересах конкретного пользователя.                     

        По существу, повышение эффективности  управления есть результат использования  современной вычислительной техники  и средств связи в процессе выполнения функций управления при соответствующей организации работы штаба.

     Структура и параметры информационно-вычислительного  процесса в современных средствах  передачи и отображения информации в значительной мере зависят от организационных  решении, связанных с распределением программ и данных в сети ЭВМ с учетом обеспечения ситуации, необходимой для успешного решения поставленных задач. Такие организационные решения целесообразно применять лишь на основе анализа соответствующих оптимизационных моделей.

     Одна  из важнейших задач КАУ является защита информации. Решение о перечне  защищаемой информации в СПОИ, структуре  и принципах взаимодействия средств защиты информации принимается  индивидуально в каждом конкретном случае, как при проектировании, так и при эксплуатации. Планирование мероприятий по защите информации должно основываться на результатах построения информационно-вычислительного процесса, как в отдельном вычислительном комплексе, так и на уровне вычислительной сети в целом.

        При построении подобных систем имеют место ограничения  на объём запоминающих устройств отдельных ЭВМ, возможность несанкционированного доступа как к отдельным ЭВМ, так и к всей сети в целом, различные помехи и сбои аппаратуры, ошибки и неквалифицированность обслуживающего технику персонала. Все эти и многие другие факторы могут вызвать частичную или полную потерю данных, разрушение, искажение, подмену информации. Для предотвращения этого целесообразно использовать восстановительное резервирование.

        Возможность иметь мощные информационные базы в узлах, обеспечивающие хранение всех восстановительных резервов соответствующими органами управления, противоречит требованиям безопасности и сохранности информации, так как уменьшается рассредоточенность информации.

      Разрешить указанное противоречие, призвана концепция распределённой системы управления, которая заключается в увеличении количества пунктов управления и обеспечении их тесной взаимосвязи и взаимозаменяемости, и возможности использования общих информационных массивов.

      Практическая реализация концепции распределённой системы управления требует реализации целого комплекса научно-технических проблем, связанных с созданием общих информационных массивов, установлением порядка их обновления, определением номенклатуры технических средств в каждом локальном пункте.

      В виду большого разнообразия и сложности  практических ситуаций, возникающих  при построении и организации  функционирования СПОИ формулировка единой оптимизационной задачи, не является целесообразной. В качестве более  приемлемого предполагается подход, когда формулируется и решается взаимосвязанная совокупность подобных задач.

      Актуальность  данной работы состоит в том, что  здесь предложен вариант решения  задачи распределения восстановительного резерва программных модулей задач  по узлам сети ЭВМ, для защиты информации от раз рушения и искажения .

      Целью данной работы является на основе анализа  математической модели распределения программных модулей и восстановительных резервов по узлам сети ЭВМ разработать алгоритм определения оптимального плана распределения восстановительного резерва программных модулей задач по критерию наибольшей вероятности решения всех задач в сети, на основании которого разработать программу для ПЭВМ. 
 
 
 
 
 
 

 1.АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ  МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ ИВП В СПОИ 

   1.1 Анализ  технических средств комплекса автоматизированного управления артиллерийскими формированиями. 

      Микропроцессорная техника и использование передовых  технологий в области электроники  позволили по-новому организовать многие виды систем обработки информации. Главной особенностью при этом является объединение в одну систему большого количества сложноорганизованных и интенсивно взаимодействующих между собой устройств. Развитие архитектуры, аппаратурных и программных средств вычислительных систем  и успехи в развитии методов организации и аппаратуры систем передачи данных по каналам связи позволили приступить к созданию вычислительных систем качественно нового типа – вычислительных сетей, которые и являются одним из способов интегрирования вычислительных ресурсов.

      Вычислительной  сетью ЭВМ называется комплекс территориально рассредоточенных ЭВМ и терминальных устройств, связанных меду собой каналами передачи данных[2] .

           Вычислительная сеть состоит из трёх основных компонентов:

• базовую сеть передачи данных (СПД) – совокупность средств для передачи данных между ЭВМ. Сеть передачи данных состоит из линий связи и узлов связи;
• непосредственно сеть ЭВМ – совокупность ЭВМ объединённых сетью передачи данных;
• терминальную сеть (ТС) – совокупность устройств, с помощью которых абоненты осуществляют ввод и вывод данных.

     Автоматизация управления войсками проводится на протяжении большого периода времени с учетом организационной структуры органов, обеспечивающих управление войсками и  оружием. Структура автоматизированной системы управления РВ и А носит иерархический характер и состоит из различных звеньев управления. Поэтому на данном этапе управления войсками необходимо осуществлять работы по развитию и модернизации сетей ЭВМ АСУВ и О, совершенствованию математического и программного обеспечения, а также протоколов сопряжения АСУВ с другими системами и объектами управления, замены устаревших технических средств. В различных звеньях КАУ артиллерийскими формированиями решаются следующие информационные и расчетные задачи в интересах должностных лиц  пунктов управления (ПУ)[6]:

     -сбор, обработка и накопление информации  о положении, состоянии и характере  действий войск противника  и своих войск;

     -прием,  обработка, накопление и выдача  информации из решений командиров;

     -сбор, обработка накопление информации  о радиационной, химической и  метеорологической обстановке, об  инженерном оборудовании местности;

     -расчеты  по планированию ядерного и  огневого поражения противника  ракетными войсками и артиллерией дивизии;

     В интересах РВ и А дополнительно решаются следующие расчетные задачи на бортовых ЭВМ КШМ из состава ПУ РВ и А[6]:

     -прием,  обработка, хранение и выдача  данных о своих войсках;

     -прием,  обработка, хранение и выдача  данных о войсках противника;

     -расчеты  по подготовке неплановых ударов ракет в обычном снаряжении;

     -расчеты  по подготовке неплановых ядерных  ударов ракетными и артиллерийскими  частями и подразделениями;

     -расчеты  по подготовке непланового массированного (сосредоточенного) огня артиллерии  дивизии; 

     -расчеты по подготовке непланового заградительного огня артиллерии дивизии.

     Технической основой КАУ артиллерийскими  формированиями на различных звеньях управления являются следующие средства автоматизации управления[6]:

       Технической основой артиллерийских  дивизионов (батарей) являются машины следующих типов:

    а) КШМ из состава изделия 1В17 («Машина-Б»), предназначенные для оснащения ПУ артиллерийских дивизионов, отдельного реактивного дивизиона и батарей буксируемой артиллерии;

    б) КШМ из состава изделия 1В12 («Машина») и 1В12М («Фальцет»), предназначенные для оснащения ПУ артиллерийских дивизионов и батарей самоходной артиллерии.

    Данные  КАУ оснащены СЭВМ 1В510 с АППК 1А30 и АППД Т244. Наличие данной аппаратуры в комплексах управления по своим  тактико-техническим характеристикам не предполагает функционирование пунктов управления как СПОИ. Наличие устаревших средств автоматизации управления, таких как СЭВМ 1В510, также не предполагает использование современных средств защиты информации, включая некоторые организационные средства защиты. Это, прежде всего защита информации путем создания твердых копий наиболее важных массивов данных. Отсутствие средств защиты данного класса в значительной степени снижают эффективность работы КАУ в случае частичной потери необходимой информации.

       В артиллерийских формированиях  высших звеньев управления технической основой КСА является КШМ типа МП24Р.

      Наличие в КАУ типа МП24Р СЭВМ Е.715-1.1 и  АПД Т-235-3 предполагает функционирование ПУ как СПОИ. Однако организационные мероприятия по защите информации в КАУ типа МП24Р также остаются на низком уровне ввиду несовершенства средств автоматизации объектов управления.

     В настоящее время разработаны  изделия «Капустник-Б» и «Капустник-С» и комплексы высших звеньев управления, которые являются усовершенствованным вариантом изделий 1В17-1 и 1В12-1 соответственно. Данные КАУ оснащены современными ЭВМ военного назначения серии «Багет».

     Для сравнения состав КАУ различных  поколений, используемых на современном этапе в звеньях управления артиллерийскими формированиями, представлен в таблице 1. 

Таблица 1. Состав КАУ различных поколений

     Комплексы автоматизированного управления 1В12-1 и 1В17-1 и их модификации созданы для обеспечения решения основных задач, связанных с участием РВ и А в боевых операциях. Данные комплексы представляют собой сложную систему обмена информации и обеспечивают решение следующих задач:

      -ведение  разведки и определение координат  цели;

      -определение  установок для стрельбы;

      -корректирование  огня артиллерии;

      -поддержание  непрерывной связи со страшим  артиллерийским начальником (штабом), подчиненными подразделениями и командирами взаимодействующих и приданных дивизиону подразделений;

      -вождение  колонн и топогеодезическую привязку огневых позиций и наблюдательных пунктов;

      -ведение  радиационной химической разведки, измерение наземных метеорологических данных.

     В условиях современного развития информационных технологий появляется тенденция, направленная на увеличение сложности и объема задач на низших уровнях управления артиллерийскими формированиями, частности на ПУ артиллерийскими дивизионами.

     Можно говорить, что в соответствии с  тенденцией расширения уровня интеллектуализации систем и комплексов управления в  узлах такой системы должны реализовываться достаточно сложные процедуры содержательной обработки информации оперативно-тактической и специальной информации, обеспечивающей поддержку принятия решения, обрабатываемых должностными лицами в рамках соответствующей компетенции. Результаты исследований показывают, что в настоящее время на первые места выдвигается потребность в иконической (различные виды изображения) и картографической информации. В частности это использование электронно-цифровых карт местности (ЭЦКМ). Поэтому успешное функционирование систем требует мощной вычислительной базы и качественных средств и каналов передачи данных. Следует заметить, в последнее время в нашей стране были сделаны заметные подвижки в области создания средств обработки данных. И в настоящее время в Вооруженных Силах выполняется программа оснащения командно-управленческого звена артиллерийскими формированиями современными комплексами средств автоматизации 1В12-3 и 1В17-3, которые заменяют устаревшие КАУ 1В12-1 и 1В17-1 соответственно. Технических средства, КАУ 1В12-3 и 1В17-3 включают в свой состав современные ЭВМ серии «Багет». Также созданы унифицированные комплексы передачи данных Т-235, на базе которых организована СОД, обеспечивающая обмен с гарантированным засекречиванием оперативно-тактической и радиолокационной информации между абонентами АСУВ.

     ЭВМ сери «Багет» разработаны на базе IBM и имеют довольно высокие тактико-технические характеристики и приходят на смену устаревших ЭВМ 1В510. В качестве иллюстрации в таблице 2 дана характеристика ЭВМ серии «Багет», ориентированных для использования в системах управления военного назначения. Другим важнейшим фактором, существенно влияющим на эффективность функционирования систем и комплексов управления, является качественный уровень используемых технологий (ИТ). При этом под информационной технологией понимается совокупность приемов и методов применения средств вычислительной техники при выполнении сбора, хранения обработки, передачи, использования информации в рамках некоторой системы[1]. Таким образом, качественный уровень применяемой в АСУ аппаратуры и ИТ является важным фактором, в значительной степени определяющими эффективность функционирования АСУ. Использование современных ЭВМ серии «Багет» и аппаратуры передачи данных Т-235 уже предполагают использование в АСУВ и О распределенной обработки информации. Данная аппаратура также позволяет решать задачи управления подразделениями своими силами без использования внешних дополнительных ресурсов. Поэтому возможна ситуация, когда часть задач общего значения будет перекладываться на более мелкие контуры управления, такие как управление артиллерийским дивизионом в общей системе управления действиями артиллерией. Такая система позволит разгрузить ЭВМ более крупного звена управления и сосредоточить их на выполнения ряда более важных задач. К тому же оптимальное распределение подзадач межу узлами сети отдельно взятого контура позволит оптимизировать процесс управления в общей системе в целом и значительно снизить время подготовки данных для открытия огня артиллерией.

     Внедрение в КАУ современных средств  вычислительной техники, таких как  ЭВМ серии «Багет» требует  повышения уровня защищенности информации при ее обработке, передачи и хранении, поэтому возникает проблема повышения уровня организационных средств защиты в СПОИ. В частности проблема рационального использования восстановительного резерва данных. Предпосылкой решения такой задачи может являться решения задачи оптимального распределения данных в АСУ сетевого типа.

     Поэтому справедливо говорить, что существует проблема оптимального функционирования сети в целях снижения времени решения задач и повышения надежности работы системы в целом. Данная проблема существенно упрощается, если учитывать специфику задач, решаемых в сети, и условия ее функционирования. Особенностью таких сетей является то, что в своей структуре они содержат ряд объектов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Эти объекты оснащаются средствами связи (передачи данных) и средствами обработки информации необходимой производительности в соответствии с заданными информационными потребностями. Такие объекты формируют узлы сети ЭВМ, которые, как было сказано выше, могут быть представлены локальными вычислительными сетями.

     Таким образом, произведен анализ комплексов автоматизированного управления артиллерийских формирований, в результате которого можно сделать вывод что современные средства автоматизации комплексов 1В12-3,”Капустник-С”,”Капустник-Б” позволяют реализовать распределенную обработку и хранение информации.

    1.2 Обоснование подхода к оптимизации ИВП в СПОИ. 

       Проблема синтеза сети ЭВМ  в СПОИ упрощается при учете  специфики условий создания и  функционирования СПОИ. Специфика  состоит в том, что организационная  структура СПОИ включает ряд  объектов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Эти объекты при наличии всех необходимых аппаратных средств и формируют узлы сети ЭВМ. Структура и параметры ИВП современных СПОИ в значительной мере зависят от организационных решений, определяющих распределение программ и данных в сети ЭВМ с учетом обеспечения необходимой живучести системы, а также не нарушая ее функционирование. При этом выделяют ряд факторов, определяющих устойчивость ИВП и функционирования СПОИ к целому ряду дестабилизирующих факторов. К наиболее важным факторам следует отнести рациональное размещение информационных ресурсов сети ЭВМ. Решение такой задачи – неотъемлемая часть на этапе проектирования, эксплуатации, совершенствования и развития АСУ. Правильное решение способствует обеспечению оптимального синтеза системы в  целом.

     Для сокращения размерности задач оптимизации  ИВП предлагается рассматривать систему управления в виде совокупности вложенных контуров управления[4]. Основным назначением этого разбиения является такая организация, которая приводит к необходимости внесения изменений либо в  один из ее элементов, либо, в крайнем случае, в минимальное их число.

      Представление системы управления в виде совокупности вложенных контуров значительно облегчает организацию проектирования СПОИ, сокращает длительность и стоимость разработки. Каждому контуру управления должна соответствовать своя детализация ИВП, а число контуров управления должно исходить из практических потребностей проводимого исследования.

      На  этапе проектирования предлагается решение задачи оптимизации ИВП осуществлять по принципу «сверху вниз»[5]. Для уровня сети ЭВМ они общем случае определяются как задачи оптимального распределения функций хранения и обработки в системе с учетом соответствующего выбора типажа вычислительных средств в узлах сети. При этом в качестве целевой функции задачи выбираются затраты ресурсов сети на реализацию заданной совокупности ИВП. Решение этой задачи позволяет сократить время передачи данных и восстановление разрушенной информации, а, следовательно, и время реализации прикладных функций СПОИ, исключить несанкционированный доступ к массивам данных. Кроме того, оценка объема передачи при оптимальном варианте размещения позволяет осуществить экономичный выбор каналов передачи данных.