А. Н. Королев, А. А. Тарасов о функциональной устойчивости
 Скачать 102.66 Kb.
|
|
А.Н. Королев, А.А. Тарасов О ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НАВИГАЦИОННО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В статье рассмотрен подход к описанию структурной организации на- вигационно-информационных систем с точки зрения их функциональной устойчивости. Определены критерий, границы и запасы функциональной устойчивости навигационно-информационных систем. Сформулированы основные стратегии реконфигурации навигационно-информационных систем при деструктивных воздействиях на них с целью обеспечения автоматического восстановления их работоспособности. Ключевые слова: навигационно-информационная система, функцио- нальная устойчивость, навигационное поле, деструктивное воздействие, функциональная реконфигурация. Широкое применение глобальных навигационных систем, прежде всего спутниковых систем радионавигации GPS и ГЛО- НАСС, в последнее десятилетие привело к созданию и развитию целого класса информационных систем, предназначенных для обработки пространственно-временных и иных данных, основой которых служит навигационная и телеметрическая информация. Такие системы обычно называют навигационно-информацион- ными системами (НИС). НИС имеют специфические особенности построения (рис. 1). К таким особенностям прежде всего следует отнести наличие обязательного элемента НИС – подсистемы определения место- положения объекта контроля. В эту подсистему входят специаль- ные технические средства определения местоположения и пара- метров движения объекта контроля в пространственно-временном базисе, взаимодействующие с навигационным полем. © Королев А.Н., Тарасов А.А., 2012 144 Навигационные поля могут быть естественного или искус- ственного происхождения. К естественным навигационным полям можно, например, отнести магнитное и гравитационное поля Зем- ли. В этих случаях навигационное поле строится как поле про- странственно распределенных аномалий (гравитационных или магнитных), измерение которых соответствующими датчиками, установленными на объекте, дают информацию о текущем место- положении объекта. Другим примером естественных навигацион- ных полей можно считать построение инерциального базиса в про- странстве для использования методов инерциальной навигации или астронавигацию по картам звездного неба. К преимуществу использования естественных навигационных полей относится от- сутствие затрат на их создание и поддержание, к недостаткам – низкая точность (поля гравитационных или магнитных анома- лий), низкая доступность (астронавигация), накопление ошибок (инерциальная навигация). В отличие от естественных навигационных полей, искусствен- ные навигационные поля формируются специальными навига- ционными системами. По способу базирования выделяют спутни- ковые и наземные навигационные системы. По зоне действия – глобальные навигационные системы (ГНСС), системы ближней и дальней навигации. Искусственные навигационные поля, как правило, представляют собой зоны распространения навига- ционных радиосигналов, поэтому эти поля называют радионавига- ционными. Наибольшее распространение в настоящее время по- лучили НИС, использующие радионавигационные поля ГНСС. 145 О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем ПОДСИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ, ВРЕМЕНИ ПОДСИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НАВИГАЦИОННОЕ ПОЛЕ ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА УПРАВЛЯЮЩИЙ ОРГАН ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ПОДСИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ ПОДСИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ СИСТЕМА ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Рис.1. Обобщенная структура навигационно-информационной системы Этот факт обусловлен тем, что ГНСС ГЛОНАСС (РФ), GPS (США), а в ближайшей перспективе и Galileo (ЕС) обеспечивают глобальную зону покрытия (весь Земной шар), высокую точность и доступность. Еще одним немаловажным фактором является то, что ГНСС ГЛОНАСС и GPS обеспечивают бесплатный доступ к навигационным радиосигналам гражданского назначения. Другая особенность НИС обусловливается необходимостью обмена информацией между подвижным объектом (объектами) контроля и управления и стационарным или подвижным орга- ном (органами) управления. Это предполагает наличие в контуре управления системы подвижной радиосвязи, обеспечивающей телекоммуникационную среду обмена данными между объектом и субъектом управления в автоматизированной системе. Исключе- ние составляют НИС, в которых объект и субъект управления про- странственно объединены; это так называемые системы автоном- ной навигации (автонавигаторы). Некоторые современные системы подвижной радиосвязи, такие как сети мобильной связи GSM, СDMA и т. п., могут также являться источником радионавигационного поля, позволяющего наряду с задачей передачи данных решать и задачу местоопределе- ния объектов контроля с определенным уровнем точности. Следует заметить, что в отличие от задачи местоопределения объекта контроля и управления, задача определения параметров состояния объекта и окружающей среды не является обязательной для любого класса НИС. В простейшем случае измерительная подсистема НИС может ограничиваться только определением ме- стоположения объекта. Таким образом, НИС представляет собой многообъектную распределенную иерархическую систему автоматизированного управления. При этом сами объекты управления НИС изменяют во времени под действием внешних воздействий и внутренних факторов не только свое состояние, но и местоположение в про- странстве, что влечет за собой, вследствие пространственных не- однородностей телекоммуникационной подсистемы и навига- ционного поля, изменения структурно-функциональных связей внутри самой системы. Кроме того, воздействие внешней среды (преднамеренное или непреднамеренное) на элементы системы может существенно влиять на ее работоспособность. В связи с этим необходима способность сохранять или восстанавливать (полностью или частично) возможность выполнения возложен- ных на нее функций в условиях воздействия деструктивных фак- 146 А.Н. Королев, А.А. Тарасов торов. Такую способность будем трактовать как функциональную устойчивость НИС 1 . Рассмотрим подход к описанию структурной организации НИС точки зрения обеспечения их функциональной устойчивости. Пусть цель функционирования НИС состоит в реализации оп- ределенного набора функций F = < f 1 , f 2 , .., f n >. (1) Реализация каждой функции НИС на определенном интервале времени может выполняться с некоторым уровнем качества в зави- симости от выделенных ресурсов системы для выполнения данной функции, изменения пространственного расположения объектов системы, состояния навигационного и связного полей и воздей- ствий внешней среды в рассматриваемый интервал времени. Рассмотрим V = { ν i }, L = V – множество объектов управления НИС, каждый из которых характеризуется набором навигацион- ных параметров r(t) (координаты, скорость, направление дви- жения и т. п.) в текущий момент времени t. Набор R(t) = < r 1 (t), r 2 (t), .., r L (t) > определяет пространственное положение объектов управления НИС в момент времени t. Основными характеристи- ками 2 навигационного поля в некотором месте пространства, вхо- дящем в рабочую зону системы навигации, являются точность на- вигационно-временных определений, целостность и доступность. В зависимости от этих характеристик навигационного поля в точ- ке местоположения i-го объекта управления НИС измерения век- тора могут быть произведены с различной степенью точности и достоверности. Например, если объект контроля находится на открытой местности и имеет возможность принимать как сиг- налы спутников ГНСС ГЛОНАСС/GPS, так и корректирующую информацию с геостационарных спутников широкозонных диф- ференциальных систем SBAS (WAAS, EGNOS, СДКМ и т. п.), то погрешность определения текущего местоположения объекта может быть не более 1 м. Если же объект находится на закры- той территории (например, в условиях городской застройки) и не имеет возможности принимать сигналы SBAS, то погрешность определения текущего местоположения может быть не менее 10 м. В случае невозможности определения местоположения по сигна- лам ГНСС, но нахождения объекта в зоне действия сети мобиль- ной связи GSM погрешность определения его текущего место- положения может составить от нескольких десятков метров до не- 147 О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем скольких километров. Таким образом, для каждой точки возмож- ного расположения объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества пространственно-временной идентификации объекта (точность и достоверность оценки опре- деления местоположения и параметров движения объекта). Если Ф = { ϕ i }– множество навигационных систем, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять пространственно- временную идентификацию своих объектов контроля, X N = {x i N } – множество областей в четырехмерном координатно-временном пространстве перемещения объектов контроля НИС, внутри каж- дой из которых характеристики навигационных полей постоянны, то имеет место следующее отображение: ψ : Ф × Х N → Е, (2) где E = { ε 1 , ε 2 , ..., ε N } – упорядоченное конечное множество уровней качества пространственно-временной идентификации объектов контроля в НИС. Поскольку системы подвижной связи, функционально входя- щие в НИС, формируют в пространстве перемещения объектов контроля НИС связные поля, характеризуемые пропускной спо- собностью, доступностью и непрерывностью, то по аналогии с на- вигационными полями для каждой точки возможного расположе- ния объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества информационного обмена (полнота, достовер- ность и задержка в передаче информации от объекта и к объекту). Пусть H = { η i } – множество систем связи, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять информационный обмен со своими объектами контроля, X i = {x i C } – множество областей в четырехмерном координатно-временном пространстве переме- щения объектов контроля НИС, внутри каждой из которых харак- теристики связных полей постоянны, тогда имеет место следую- щее отображение: ψ : H × Х N → Г, (3) где Г = { Υ 1 , Υ 2 , ..., Υ L } – упорядоченное конечное множество уров- ней качества информационного обмена в НИС. Пусть Z = {z i } – множество аппаратно-программных средств (АПС) НИС. Тогда для каждой функции f i имеет место следующее отображение: 148 А.Н. Королев, А.А. Тарасов ω i : Z × E × Х → Q i , (4) где Q i = {q 1 i , q 2 i , …, q K i i } – упорядоченное конечное множество уров- ней качества реализации i-й функции. Для реализуемого НИС набора функций F существует множество Q уровней качества функционирования НИС, состоящее из непересекающихся под- множеств {Q 1 , Q 2 , …, Q N } c элементами q j i ∈ Q i , i = 1, N, упорядочен- ными согласно условию q 1 i ≤ q 2 i ≤ …, ≤ q K i i , i = 1, N (5) Множество Q является частично упорядоченным и его удобно записывать в виде квазиматрицы 3 N-го порядка со строками – упо- рядоченными множествами Q i : q 1 1 . . . q K 1 Q = . = q i j , i = 1, N, j = 1, K i (6) q 1 N . . . q K N N На множестве Q построим множество векторов A = {A j }, A j = {a i j }, a i j ∈ Q i , i = 1, N, j = 1, M, M = П N i=1 K i (7) где каждый вектор определяет некий уровень качества реализа- ции набора функций F НИС. На множестве векторов А введем частичный порядок A i ≥ A j : ∀ (A i ∋ a l i = q l k l , A j ∋ a l j = q l m l , l = 1, N) (k i ≥ m l ) (8) и метрику ∀ (A i , A j ∈ A, A i ≥ A j ) d(A i , A j ) = min l (k l – m l ), (9) A i ∋ a l i = q l k l , A j ∋ a l j = q l m l , l = 1, N Пусть Z i ∈ Z – подмножество работоспособных аппаратно-про- граммных средств (АПС) НИС, участвующих в реализации i-й функции НИС. Тогда существует некая конфигурация аппаратно- 149 О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем программных средств (ресурсов) НИС для реализации набора функций F k l = < Z 1 l , Z 2 l , …, Z N l >, Z i l Z, k l ∈ K, i = 1, N, l = 1, K , (10) причем множества АПС НИС Z i l являются пересекающимися, так как одни и те же АПС могут быть задействованы для реализа- ции различных функций одновременно. На множестве K также можно ввести метрику, определяющую расстояние между распре- делениями k l d (k i , k j ) = ∑ || (Z n i ∪ Z n j ) \ (Z n i ∪ Z n j ) || , n = 1, N. (11) n Учитывая (4), можно утверждать, что каждой конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС k l при опреде- ленных уровнях качества пространственно-временной идентифи- кации объектов контроля ε k и информационного обмена γ m в НИС соответствует определенный уровень качества реализации набора функций A j ∀ (k l ∈ K, γ m ∈ Г, ε k ∈ E), ∃A j ∈: < k l , γ m , ε k > ⇒ A j , (12) при этом один и тот же уровень качества реализации набора функ- ций F НИС A j может достигаться при различных конфигурациях аппаратно-программных средств k l Для каждой i-й функции существует минимально допустимый уровень качества ее реализации q i r i , при котором достигается цель функционирования НИС. Если система не способна обеспечить выполнение i-й функции с уровнем качества q i r i или выше, то счи- тается, что i-й функция не выполняется системой. Введем вектор A lim , определяющий минимально допустимый уровень качества реализации набора функций F НИС A lim = {a lim i }, a lim i = q i r i , i =1, N . (13) Пусть R = {r i } – множество возможных деструктивных воздей- ствий на НИС, вызывающих нарушения в ее работе. Тогда, ис- пользуя выражения (11) и (12), можно формализовать понятие функциональной устойчивости НИС. Определение. НИС является функционально устойчивой, если после деструктивного воздействия r i ∈ R существует хотя бы 150 А.Н. Королев, А.А. Тарасов одна работоспособная конфигурация аппаратно-программных средств (ресурсов), обеспечивающая реализацию набора функций F с уровнем качества не ниже A lim ∀(k l ∈K, γ m ∈Г, ε k ∈ E), ∃k l (r i ) ∈K, < k l , γ m , ε k > ⇒ A k i , A k i ≥ A lim . (14) Уровень качества A lim можно трактовать как границу устойчи- вости НИС к деструктивным воздействиям из R, а расстояние d(A lim , A k l ) – как запас функциональной устойчивости НИС для конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) k l . При этом функциональная устойчивость НИС при деструктивных воз- действиях обеспечивается функциональной перестройкой систе- мы, включая: – идентификацию после деструктивного воздействия на НИС состояния работоспособности ее аппаратно-программных средств (ресурсов) с учетом текущего распределения их k тек для реализа- ции заданного набора функций; – поиск конфигурации аппаратно-программных средств (ре- сурсов) НИС k доп , обеспечивающей приемлемое качество реализа- ции заданного набора функций в соответствии с (14); – закрепление заданного набора функций НИС за программ- но-аппаратными средствами в соответствии с найденной конфигу- рацией k доп Существуют различные стратегии функциональной пере- стройки. Они определяются такими требованиями к функцио- нальной устойчивости, как: – минимизация дополнительного оборудования, обеспечиваю- щего функциональную устойчивость системы; – минимизация времени восстановления работоспособности после деструктивного воздействия; – максимальная адаптация системы к потоку деструктивных воздействий. В зависимости от перечисленных требований можно выделить следующие стратегии ее функциональной перестройки. 1. Стратегия пригодности. Поиск осуществляется до нахожде- ния первой конфигурации k доп , удовлетворяющей условию k доп ∈ Κ , < k доп , γ m , ε k > ⇒ A k доп , A k доп ≥ A lim . (15) 2. Стратегия максимального быстродействия при восстановле- нии работоспособности. Осуществляется поиск конфигурации k доп , минимально отличающейся от текущей 151 О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем d(k тек – k доп ) = min d(k тек – k i ), ∀k i ∈ K, A k i ≥ A lim . (16) 3. Стратегия максимального запаса функциональной устойчи- вости. Осуществляется поиск конфигурации k доп , обеспечивающей максимальный запас функциональной устойчивости при текущем состоянии работоспособности аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС d(A lim , A k доп ) = min d(A lim , A k i ), ∀k i ∈ K, A k i ≥ A lim . (17) i Выбор той или иной стратегии осуществляется на этапе проек- тирования НИС. Примечания 1 См.: Тарасов А.А., Бородакий Ю.В. О функциональной устойчивости информа- ционно- вычислительных систем // Известия. 2006. № 7. 2 См.: ГОСТ Р 52865-2007. Глобальная навигационная спутниковая система. Параметры радионавигационного поля. М.: Стандартинформ, 2008. 23 с. 3 См.: Левин В.И. Логическая теория надежности сложных систем. М.: Энерго- атомиздат, 1985. 128 с. А.Н. Королев, А.А. Тарасов |