Способ моделирования распределенной сети связи вышестоящей системы управления с необходимым уровнем надежности ее элементов
Владельцы патента RU 2736528:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Михайловская военная артиллерийская академия" Министерства Обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области моделирования сложных технических систем. Технический результат заключается в повышении достоверности оценки моделируемых процессов. Технический результат достигается за счет возможности моделирования минимальных деструктивных воздействий (R) на каждый элемент РСС ВСУ, при которых элемент РСС ВСУ с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние, моделирования максимальной нагрузки (H) на РСС ВСУ, формирования моделей оценки надежности РСС ВСУ с использованием различных законов распределения случайных величин (R) и (H), выбора модели с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H), сравнения полученных значений ВБР с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения. 3 ил.
Изобретение относится к области моделирования сложных технических систем и может быть использовано при их проектировании и реконфигурации распределенных сетей связи.
Толкование терминов, используемых в заявке.
Под распределенными сетями связи (РСС) вышестоящей системы управления (ВСУ) понимаются первичные сети связи, различающиеся используемой средой распространения сигнала и (или) развернутые на их базе вторичные сети связи, различающиеся реализуемым видом электросвязи (типом передаваемых сообщений, прикладной службой передачи данных) (Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 2001. - 336 с., стр. 13-19; Ермишян А.Г. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях: Учебник. Часть 1. Методологические основы построения организационно-технических систем военной связи. СПб.: ВАС, 2005. - 740 с., стр. 74).
Под надежностью понимается свойство объекта сохранять во времени способность выполнять функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения - М.: Стандартинформ, 2015. - 24 с., стр. 2).
Известен способ, реализованный в изобретении «Способ формирования защищенной системы связи, интегрированной с Единой сетью электросвязи в условиях внешних деструктивных воздействий», патент RU №2544786, Н04В 7/24, G06F 21/00, опубликованный 20.03.2015, бюл. №8. Способ заключается в моделировании процессов: формирования РСС, измерения и анализе используемого ресурса единой сети электросвязи (ЕСЭ), прогнозирования состояния ресурса ЕСЭ, применения РСС по назначению.
Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является способ, реализованный в изобретении РФ «Способ моделирования процессов управления и связи на распределенной территории», патент РФ №2631970, G06F 9/00, опубликованный 29.09.2017, бюл. №28. Способ-прототип заключается в моделировании топологии РСС ВСУ, моделировании перемещения элементов РСС ВСУ, моделировании необходимых способов привязки к узлам связи, моделировании определения используемого ресурса, моделировании применения сформированной РСС ВСУ по назначению, моделировании процесса взаимодействия, моделировании основных процессов управления: сбор, обработку, анализ данных, передачу управляющих команд, оценивании степени удовлетворения абонентов РСС ВСУ телекоммуникационными услугами.
Данный способ был выбран за основу в качестве прототипа для заявленного способа.
Технической проблемой в данной области является низкая достоверность оценки моделируемых процессов из-за отсутствия возможности: моделирования минимальных деструктивных воздействий (R) на каждый элемент РСС ВСУ, при которых элемент РСС ВСУ с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние, моделирования максимальной нагрузки (H) на РСС ВСУ, формирования моделей оценки надежности РСС ВСУ с использованием различных законов распределения случайных величин (R) и (H), выбора модели с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H), сравнения полученных значений ВБР с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения.
Техническая проблема решается созданием способа моделирования РСС ВСУ с необходимым уровнем надежности, обеспечивающего возможность повысить достоверность оценки моделируемых процессов за счет возможности: моделирования минимальных деструктивных воздействий (R) на каждый элемент РСС ВСУ, при которых элемент РСС ВСУ с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние, моделирования максимальной нагрузки (H) на РСС ВСУ, формирования моделей оценки надежности РСС ВСУ с использованием различных законов распределения случайных величин (R) и (H), выбора модели с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H), сравнения полученных значений ВБР с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения.
Техническая проблема решается тем, что способ моделирования РСС ВСУ с необходимым уровнем надежности ее элементов заключающийся в том, что моделируют структуру и топологию РСС ВСУ, моделируют основные процессы управления, оценивают степень удовлетворения абонентов РСС ВСУ телекоммуникационными услугами, согласно изобретению дополнен следующими действиями: моделируют минимальные деструктивные воздействия (R) на каждый элемент РСС ВСУ, при которых элемент РСС ВСУ с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние, моделируют максимальную нагрузку (H) на РСС ВСУ, формируют модели оценки надежности РСС ВСУ с использованием различных законов распределения случайных величин (R) и (H), выбирают модель с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H), сравнивают полученные значения ВБР с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. 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 - блок-схема процесса моделирования РСС ВСУ с необходимым уровнем надежности ее элементов;
фиг. 2 - зависимость ΔP = ƒ(η) при vH = vR = 0,3;
фиг. 3 - зависимость ΔP = ƒ(η) при vH = vR = 0,2.
Реализовать заявленный способ можно в виде блок-схемы процесса моделирования РСС ВСУ с необходимым уровнем надежности ее элементов, представленной на фиг. 1.
В блоке 1 осуществляют ввод исходных данных: набор независимых проектных параметров РСС ВСУ , параметры Xi, i = 1…n, обеспечивающие нагрузку - H, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение минимальных деструктивных воздействий - mR, SR, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение максимальной нагрузки - H - mH, SH, требуемое значение вероятности безотказной работы - ВБРтреб, постоянная Эйлера - γ.
В блоке 2 моделируют структуру и топологию РСС ВСУ. Структурно-топологическое построение РСС ВСУ предполагает ее представление количественными показателями через соответствующие параметры, а также описание состава, конфигурации и взаимосвязи отдельных элементов (Основы построения систем и сетей передачи информации. Учебное пособие для вузов / В.В. Ломовицкий, А.И. Михайлов, К.В. Шестак, В.М. Щекотихин; под. ред. В.М. Щекотихина - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 382 с., стр. 57; В.Д. Боев. Основы моделирования военно-техническим систем. Часть 1. Учебное пособие. - СПб: МВАА, 2016. - 268 с., стр. 238).
При этом, РСС ВСУ описывается семейством законов распределения случайных величин. Поведение каждого выбираемого элемента РСС ВСУ во времени описывается случайным процессом перехода из работоспособного в неработоспособное состояния и обратно, показатели надежности РСС ВСУ носят вероятностно-временной характер. Каждый выбираемый элемент РСС ВСУ подчиняется своему реальному закону распределения характеристик показателей надежности. Одним из основных показателей надежности РСС ВСУ является вероятность безотказной работы (ВБР) (ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения - М.: Стандартинформ, 2015. - 24 с., стр. 9). При моделировании оценивания ВБР используют минимально возможные деструктивные воздействия - R и максимально возможную нагрузку - H. При этом, обеспечивают гарантированную оценку ВБР за счет применения доминирующего из семейства законов распределений максимальных (H) и минимальных (R) случайных величин. Оценивают функцию работоспособности РСС ВСУ с помощью выражения для ВБР:
С учетом семейства законов распределения деструктивных воздействий и действующей нагрузки на РСС ВСУ зависимость (1) преобразовывают к виду:
где FH (x) - функция распределения нагрузки;
fR (x) - плотность распределения деструктивных воздействий.
В блоке 3 моделируют минимальные деструктивные воздействия (R) на каждый элемент РСС ВСУ, при которых элемент РСС ВСУ с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние. При этом, используют двойной экспоненциальный закон распределения. Для наименьших (R) значений функция распределения двойного экспоненциального закона имеет вид (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М. Виноградов, т. 3 Коо-Од-М.: «Советская Энциклопедия», 1982. - 1184 стб., стб. 201):
Плотность распределения двойного экспоненциального закона имеет вид:
Вычисляют параметры (масштабный параметр - aR, параметр сдвига - uR) распределения минимальных значений (R):
В блоке 4 моделируют максимальную нагрузку (H) на РСС ВСУ.
При этом, используют двойной экспоненциальный закон распределения. Для наибольших (H) значений функция распределения двойного экспоненциального закона имеет вид (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М. Виноградов, т. 3 Коо-Од-М.: «Советская Энциклопедия», 1982. - 1184 стб., стб. 201):
Плотность распределения двойного экспоненциального закона имеет вид:
Вычисляют параметры (масштабный параметр - aR, параметр сдвига - uR) распределения максимальных значений (H):
В блоке 5 формируют модели оценки надежности РСС ВСУ с использованием различных законов распределения случайных величин R и H.
Первую модель формируют по правилу: зависимость для наименьших (R) значений плотности распределения величины (4) и наибольших (H) значений функции распределения нагрузки (6) подставляют в формулу (2). При этом, определяют ВБР:
Формируют вторую модель. При этом, в частности, для случайных величин нагрузки (H) используют распределение наибольших значений типа 1, для случайных величин деструктивных воздействий (R) - распределения наименьших значений типа 1.
При этом, определяют плотность распределения минимальных деструктивных воздействий (R):
Определяют плотность распределения максимальной нагрузки:
Определяют ВБР применительно ко второй модели:
Формируют третью модель. При этом, в частности, для случайных величин нагрузки (H) используют распределение наибольших значений типа 11 (трехпараметрический закон распределения Вейбулла), для случайных величин деструктивных воздействий - распределения наименьших значений типа 1 (Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 816 с. Стр. 146-147).
При этом, определяют плотность распределения минимальных деструктивных воздействий (R):
Определяют плотность распределения максимальной нагрузки (трехпараметрический закон распределения Вейбулла):
Определяют ВБР применительно к третьей модели:
Формируют четвертую модель. При этом, при определении ВБР используют нормальный закон распределения случайных величин (R) и (H). Для этой информационной ситуации выражение (2) имеет вид:
В блоке 6 выбирают модель с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H). Выбор осуществляют способом сравнения с использованием показателя надежности - ВБР. Сравнение показателя ВБР - P4 осуществляют по зависимости (16) и показателей P1 - P3, соответственно, по зависимостям (9), (12) и (15).
На фигурах 2, 3 приведены зависимости относительных величин 
, z=1…3 от коэффициента запаса надежности 
при двух значениях коэффициентов вариации 
.
В блоке 7 сравнивают полученные значения ВБР с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения случайных величин (R) и (H). Если полученные значение ВБР соответствует требуемому значению ВБР (закон распределения выбран правильно), то осуществляется переход к блоку 8. Если полученное значение ВБР не соответствует требуемому (закон распределения выбран не правильно), то осуществляется переход к блоку 6, где выбирают модель с другим законом распределения случайных величин (R) и (H) с учетом условий функционирования РСС ВСУ.
В блоке 8 моделируют основные процессы управления: сбор, обработка, анализ данных об интенсивности и продолжительности предоставления телекоммуникационных услуг абонентам РСС ВСУ. (1. Основы теории управления в системах военного назначения. Часть 1. Учебное пособие. Е.А. Карпов и др. / Под редакцией А.Ю. Рунеева и И.В. Котенко. СПб.: ВУС, 2000. - 194 с., стр. 27-28); 2. Основы теории управления в системах военного назначения. Часть 2. Учебное пособие. Е.А. Карпов и др. / Под редакцией А.Ю. Рунеева и И.В. Котенко. СПб.: ВУС, 2000. - 158 с., стр. 12-17).
В блоке 9 моделируют степень удовлетворения абонентов телекоммуникационными услугами - 
. В случае, если абоненты не удовлетворены требуемым набором телекоммуникационных услуг, осуществляется возврат к блоку 2, где происходит моделирование новой структуры и топологии РСС ВСУ, исходя их предъявляемых к ней требований.
Если же абоненты удовлетворены требуемым набором телекоммуникационных услуг, то переходят к блоку 10, где формируют выходные данные и затем к блоку 11, где производят остановку процесса моделирования.
Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась путем сравнения достоверности оценки полученных результатов при моделировании процессов, реализующих способ-прототип и при моделировании РСС ВСУ с необходимым уровнем надежности ее элементов для предлагаемого способа. Из формулы 11.8.6 (Вентцель Е. С, Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.- 1988 г., 480 с., стр. 463):
где Ф - функция Лапласа;
рош - реальное значение оценки;
- требуемое значение оценки;
ε - величина доверительного интервала;
N - количество моделируемых событий, причем:
N = k × n,
где k - число действий над материальными объектами с помощью материальных средств;
n - число реализаций действий над материальными объектами с помощью материальных средств.
Достоверность результатов моделирования РСС ВСУ определяется по формуле:
Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992, 206 с., стр. 14):
Тогда:
Для случая, когда рош; 
вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая 
. Тогда: 
. Определим 
и 
, принимая ε=0,05, а k=3, n=1000 для каждого действия над материальным объектом, тогда N=3000 для прототипа при: а) моделировании структуры и топологии РСС ВСУ, б) моделировании основных процессов управления, в) оценивании степени удовлетворения абонентов РСС ВСУ телекоммуникационными услугами и k=5, n=1000 для каждого действия над материальным объектом, тогда N=5000 для предлагаемого способа при: г) моделировании минимальных деструктивных воздействий, д) моделировании максимальной нагрузки на РСС ВСУ, е) формировании моделей оценки надежности РСС ВСУ, ж) выборе модели с доминирующим законом распределения, з) сравнении полученных значений ВБР с требуемым значением.
Оценка эффективности заявленного способа:
Таким образом, решается техническая проблема.
Способ моделирования распределенной сети связи вышестоящей системы управления с необходимым уровнем надежности ее элементов, заключающийся в том, что моделируют структуру и топологию распределенной сети связи вышестоящей системы управления, моделируют основные процессы управления, оценивают степень удовлетворения абонентов распределенной сети связи вышестоящей системы управления телекоммуникационными услугами, отличающийся тем, что моделируют минимальные деструктивные воздействия (R) на каждый элемент распределенной сети связи вышестоящей системы управления, при которых элемент распределенной сети связи вышестоящей системы управления с заданной вероятностью в соответствии с законом распределения переходит в неработоспособное состояние, моделируют максимальную нагрузку (H) на распределенную сеть связи вышестоящей системы управления, формируют модели оценки надежности распределенной сети связи вышестоящей системы управления с использованием различных законов распределения случайных величин (R) и (H), выбирают модель с доминирующим законом распределения случайных величин (R) и (H), сравнивают полученные значения вероятности безотказной работы с требуемым значением с учетом выбранного доминирующего закона распределения.
