Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи
Владельцы патента RU 2449366:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к области моделирования сетей связи и может быть использовано при проектировании сетей связи для оценки эксплуатационных показателей. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа по моделированию процессов возникновения преднамеренных повреждений элементов за счет сетей связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи. Осуществляется нумерация элементов сети связи, генерация времени возникновения повреждений элементов сети связи, определяется начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи. Производится, определение показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, расчет количества и розыгрыш номеров поврежденных элементов сети связи. После этого проверяется факт наступления события повреждения элементов сети связи, фиксируются номера поврежденных элементов сети связи, проверяется техническое состояние элементов сети связи, фиксируется общее время нахождения их в работоспособном Тр или неработоспособном Тн состоянии. На основе этих данных производится расчет коэффициента готовности Кг. 4 ил., 4 табл.
Изобретение относится к области моделирования сетей связи и может быть использовано при проектировании сетей связи для оценки эксплуатационных показателей.
Известен способ моделирования, реализованный в устройстве для моделирования отказов и повреждений в сложных системах (патент Российской Федерации №2292583, G06F 15/00, опубл. 27.01.2007). Способ заключается в определении начала очередной статистической реализации на время, соответствующее времени работы средства или комплекса связи, формировании потока отказов, при этом формируется первичный поток случайных импульсов, формируется равномерно распределенное случайное число, соответствующее номеру отказавшего элемента, выдается информация об отказавших элементах, о распределении отказов, о номерах отказавших элементов, формировании потока повреждений, при этом формируются случайно изменяющиеся во времени выходные напряжения, формируется случайное число, соответствующее номеру поврежденного элемента при другом, заданном, законе распределения, выдается информация о поврежденных элементах, о распределении повреждений, о номерах поврежденных элементов.
Недостатком данного аналога является отсутствие возможности моделировать процесс возникновения преднамеренных повреждений элементов сетей связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является способ моделирования отказов и повреждений сетей связи (патент Российской Федерации №2351012, G06N 5/00, опубл. 27.03.2009 г.). Способ-прототип заключается в нумерации средств, комплексов связи, линий (каналов) связи, при этом средства и комплексы связи нумеруются совместно от 1 до n, линии связи нумеруются от 1 до d, каналы связи нумеруются от 1 до k, далее осуществляемой имитации применения по назначению средств и комплексов связи, одновременно осуществляемой генерации времени возникновения эксплуатационных отказов, аварийных повреждений и сбоев средств и комплексов связи, а также генерации времени начала подавления линий (каналов) связи, определении начала очередной статистической реализации на время Δt, соответствующей времени работы средства или комплекса связи, при этом формируется случайное число ξ, соответствующее номеру отказавшего элемента, формировании случайного числа λ, соответствующего номеру поврежденного элемента при заданном законе распределения, формировании случайного числа µ, соответствующего номеру средства связи, имеющего сбой программного обеспечения, а также определении начала очередной статистической реализации на время Δt, соответствующего времени начала подавления линий (каналов) связи, при этом формировании случайного числа η, соответствующего номеру подавленной линии (канала) связи, далее осуществляемом розыгрыше степени повреждения и номера поврежденных средств и комплексов связи, розыгрыше продолжительности подавления и номера подавленных линий (каналов) связи, осуществлении записи времени нахождения средств и комплексов связи в неработоспособном состоянии, а также продолжительности подавления линий (каналов) связи, проверки факта наступления отказа, повреждения, сбоя средств и комплексов связи и подавления линий (каналов) связи, фиксации номеров поврежденных (отказавших) средств, комплексов и номеров подавленных линий (каналов) связи, проверке работоспособности средств и комплексов связи, линий (каналов) связи, фиксации общего времени нахождения их в работоспособном состоянии Tp, а также фиксации общего времени нахождения средств, комплексов, линий (каналов) связи в неработоспособном состоянии Tн, подсчете коэффициента готовности Kг, осуществлении имитации восстановления средств, комплексов, линий (каналов) связи.
При такой совокупности описанных действий достигается расширение возможностей по моделированию процессов возникновения отказов, повреждений, сбоев, а также процесса подавления сетей связи.
Однако способ-прототип имеет недостаток: отсутствие возможности моделировать процесс возникновения преднамеренных повреждений элементов сетей связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи.
Задачей изобретения является создание способа моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, позволяющего расширить возможности способа-прототипа по моделированию процессов возникновения преднамеренных повреждений элементов сетей связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи.
Эта задача решается тем, что способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, заключающийся в том, что нумеруют элементы сети связи, генерируют время возникновения повреждений элементов сети связи, определяют начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи, проверяют факт наступления события повреждения элементов сети связи, фиксируют номера поврежденных элементов сети связи, проверяют техническое состояние элементов сети связи, фиксируют общее время нахождения их в работоспособном состоянии Tр, а также фиксируют общее время нахождения элементов сети связи в неработоспособном состоянии Tн, рассчитывают коэффициент готовности Kг, согласно изобретению дополнен: определяют показатель относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, рассчитывают количество поврежденных элементов сети связи, разыгрывают номер поврежденного элемента сети связи с учетом показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает расширение возможностей способа-прототипа по моделированию процессов возникновения преднамеренных повреждений элементов сетей связи, имеющих различную структурную значимость в сети связи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на решение указанной задачи. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". "Промышленная применимость" способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - алгоритм моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи;
фиг.2 - графическое представление числового ряда показателей относительной структурной значимости элементов сети связи;
фиг.3 - соотношение между разыгрываемой случайной величиной и конкретным номером повреждаемого элемента сети связи;
фиг.4 - вариант сети связи.
Реализовать заявленный способ предлагается в виде алгоритма моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, показанного на фиг.1.
В блоке 1 осуществляется нумерация элементов сети связи (узлов связи и линий связи). Нумерация осуществляется "сквозная" для узлов и линий связи.
Генерация времени возникновения повреждений элементов сети связи осуществляется в блоке 2 алгоритма, при этом определяется начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи.
В блоке 3 осуществляется определение показателя относительной структурной значимости каждого i-го элемента сети связи (см., например, Ю.И.Стекольников. Живучесть систем. - СПб.: Политехника, 2002. - С.129)
где 
- показатель живучести сети связи при поврежденном i-м элементе сети связи;
- показатель живучести сети связи при функционирующем i-м элементе сети связи.
В качестве показателей живучести сети связи может быть выбран суммарный объем передаваемого трафика при функционирующем i-м элементе сети связи 
и объем трафика при поврежденном i-м элементе сети связи .
Таким образом, для каждого элемента сети связи (узла связи или линии связи) может быть рассчитан показатель относительной структурной значимости и сформирован числовой ряд 
ее значений для всех элементов сети, представляющий собой полную группу.
В блоке 4 осуществляется расчет количества поврежденных элементов сети связи 
в соответствии с выражением
где 
- минимальное и максимальное количество поврежденных элементов сети связи (определяется на основании статистики или подбором значений);
D[0,1] - датчик случайных чисел в интервале [0,1] с равномерным (или иным обоснованным для конкретных условий) законом распределения случайной величины.
В блоке 5 с использованием датчика случайных чисел с равномерным законом распределения случайной величины осуществляется розыгрыш конкретных номеров поврежденных элементов сети связи из пронумерованных в блоке 1.
Для реализации процедуры розыгрыша необходимо значения числового ряда показателей относительной структурной значимости элементов сети связи привести к отрезку [0,1] с использованием выражения
где 
I - общее количество элементов сети связи.
Графическое представление числового ряда показателей относительной структурной значимости элементов сети связи представлено на фиг.2.
Вероятность повреждения каждого i-го элемента сети связи зависит от распределения показателя относительной структурной значимости 
элементов сети связи, рассчитанного в соответствии с выражениями (2), (3) (см., например, Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов / В.Е.Гмурман. - Изд. 7-е, стер. - М.: Высш. шк., 2001. - 479 с.: ил.). Соотношение между разыгрываемой случайной величиной и конкретным номером поврежденного элемента сети связи представлено на фиг.3.
Далее проверяется факт наступления события повреждения элементов сети связи (блок 6). Если событие повреждения не наступило, то управление передается блоку 7.
Если событие повреждения элементов сети связи наступило, то управление передается блоку 8.
В блоке 7 проверяется наступление момента окончания моделирования. Если моделирование не закончено, то управление передается блоку 6.
В блоке 8, при условии наступления события повреждения элементов сети связи, осуществляется фиксация номеров поврежденных элементов сети связи.
Блок 9 проверяет техническое состояние элементов сети связи. Если элементы сети связи работоспособны, то управление передается блоку 10, где фиксируется общее время нахождения их в работоспособном состоянии (Tр). Если элементы сети связи неработоспособны, то в блоке 11 фиксируется общее время нахождения элементов сети связи в неработоспособном состоянии Tн.
В блоке 12 производится расчет коэффициента готовности Kг элементов сети связи в соответствии с выражением
где Tp - общее время нахождения элементов сети связи в работоспособном состоянии;
Δt - время очередной статистической реализации.
С блока 12 управление передается блоку 2, где осуществляется генерация нового времени возникновения повреждений элементов сети связи и начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи. На этом алгоритм считается выполненным.
Таким образом, решается задача заявленного способа.
Вариант реализации способа моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи
Учет показателя относительной структурной значимости элементов сети связи при моделировании преднамеренных повреждений имеет смысл в условиях совместного функционирования двух антагонистических систем, когда, например, целью функционирования сети связи является достижение максимального значения коэффициента готовности ее элементов, а противостоящей системы - максимального значения коэффициента простоя этих же элементов (см., например, Надежность и живучесть систем связи / Б.Я.Дудник, В.Ф.Овчаренко, В.К.Орлов и др.; под ред. Б.Я.Дудника. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.).
Допустим, имеется сеть связи, представленная на фиг.4 и состоящая из элементов - узлов и линий связи. Целью функционирования данной сети связи является достижение требуемых значений коэффициента готовности всех составляющих ее элементов. Например, в [Основы построения систем и сетей передачи информации: учебное пособие для вузов / под ред. В.М.Щекотихина. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - С.109] показано, что требуемое значение коэффициента готовности элемента сети связи может зависеть от группы важности, которая определяется, например, по объему обрабатываемого данным элементом сети связи трафика. Требуемые значения коэффициента готовности элементов сети связи по группам важности представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |
| Требуемые значения коэффициента готовности элементов сети связи по группам важности | |
| Группы важности элементов сети связи | Требуемое значение коэффициента готовности, 
|
| I группа важности | 0,95 |
| II группа важности | 0,9 |
| III группа важности | 0,85 |
В то же время можно предположить, что целью противостоящей системы является достижение соответствующих значений коэффициента простоя этих же элементов сети связи (см. табл.2).
| Таблица 2 | |
| Требуемые значения коэффициента простоя элементов сети связи по группам важности | |
| Группы важности элементов сети связи | Требуемое значение коэффициента простоя, 
|
| I группа важности | 0,95 |
| II группа важности | 0,9 |
| III группа важности | 0,85 |
При этом коэффициент простоя Kп определяется в соответствии с выражением
Проверка выходных результатов предлагаемого способа выполнена для сети связи, представленной на фиг.4, с применением ЭВМ с использованием системы имитации преднамеренных повреждений элементов сети связи, созданной в среде Borland C++, при следующих исходных данных:
общее количество элементов сети связи (узлов и линий связи) I=20;
суммарный объем передаваемого сетью связи трафика составляет 
;
каждый i-й элемент сети связи обрабатывает определенный объем трафика, определяющий показатель живучести сети связи при его повреждении (см. табл.3):
исходя из объемов обрабатываемого элементами сети связи трафика, отнесем 3 и 7 элементы к первой группе важности; 1, 2, 4 - ко второй группе важности; остальные элементы - к третьей группе важности;
| Таблица 3 | ||||||||||||||||||||
| Объем обрабатываемого i-м элементом трафика и показатель живучести сети связи при его повреждении | ||||||||||||||||||||
| Номер элемента сети связи, i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| Объем обрабатываемого i-м элементом трафика | 70 | 70 | 170 | 70 | 50 | 50 | 170 | 50 | 50 | 10 | 20 | 20 | 10 | 20 | 10 | 50 | 20 | 30 | 10 | 10 |
| Показатель живучести сети связи при поврежденном i-м элементе,
|
890 | 890 | 790 | 890 | 910 | 910 | 790 | 910 | 910 | 950 | 940 | 940 | 950 | 940 | 950 | 910 | 940 | 930 | 950 | 950 |
числовой ряд значений показателей относительной структурной значимости элементов сети связи (узлов и линий связи), рассчитанный в соответствии с выражением (1), имеет вид:
количество поврежденных элементов сети связи определяется в соответствии с (2)
.
Расчет коэффициента простоя элементов сети связи проводился с использованием способа-прототипа (т.е. в предположении, что все элементы сети связи равнозначны 
, i=1…K) и с использованием заявленного способа. Результаты расчета, представленные в таблице 4, дают основание для вывода, что заявленный способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи имеет более высокую адекватность моделирования по сравнению со способом-прототипом.
Расчетные значения коэффициента простоя элементов связи сети связи определялись с использованием выражений (4), (5). Средние значения коэффициента простоя 
для элементов сети связи по группам важности определялись в соответствии с выражением
где m - количество элементов сети связи конкретной группы важности (m=2 для первой группы важности, m=3 - для второй, m=15 - для третьей).
Значения разности Δ между требуемыми значениями коэффициента простоя элементов сети связи по группам важности и их средними значениями определялись в соответствии с выражением
где 
- требуемое значение коэффициента простоя элемента сети связи для конкретной группы важности.
Выигрыш В определялся следующим образом
где Δпрототип, Δпредлаг - значения разности, определенные в соответствии с выражением (7), для способа-прототипа и предлагаемого способа соответственно для элементов сети связи конкретной группы важности.
Таким образом, при такой совокупности существенных признаков при моделировании преднамеренных повреждений элементов сети связи повышается адекватность моделирования за счет учета показателя относительной структурной значимости элементов сети связи в условиях преднамеренных воздействий. Результаты расчета, показывающие выигрыш на 0,387 для элементов сети связи первой группы важности, 0,325 - для второй группы и 0,173 - для третьей, приведены в таблице 4 и подтверждают возможность достижения поставленной задачи.
Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи, заключающийся в том, что нумеруют элементы сети связи, генерируют время возникновения повреждений элементов сети связи, определяют начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи, проверяют факт наступления события повреждения элементов сети связи, фиксируют номера поврежденных элементов сети связи, проверяют техническое состояние элементов сети связи, фиксируют общее время нахождения их в работоспособном состоянии Тр, а также фиксируют общее время нахождения элементов сети связи в неработоспособном состоянии Тн, рассчитывают коэффициент готовности Кг, согласно изобретению дополнен: определяют показатель относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, рассчитывают количество поврежденных элементов сети связи, разыгрывают номер поврежденного элемента сети связи с учетом показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи.
