Инфокоммуникационные технологии для обеспечения безопасности передачи сообщений мониторинга и управления в речных автоматизированных системах управления движением судов

Актуальность темы

исследований. Для обеспечения безопасности и повышения эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях во многих странах мира уже более 20 лет используют различные системы управления движением судов, которые в последние годы в силу развития присущих им информационных технологий и методов управления стали определять как автоматизированные.

Более того, в силу существенного отличия организационно-технических принципов АСУДС речных бассейнов от морских акваторий с начала 90-х годов прошлого века в рамках Европейского Союза разрабатываются различные программы и концепции, призванные систематизировать и унифицировать иифокоммуникационные системы управления и мониторинга судоходства на внутренних водных путях.

Одной из наиболее перспективных и конструктивных является концепция, получившая название «Корпоративные речные информационные системы (КРИС)». Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы» (РИС). Структурным ядром последних и являются АСУДС на внутренних водных путях (ВВП).

Опыт реализации, мониторинга и управления в АСУДС на ВВП, полученный в странах Европы, США, Канады и России, свидетельствует о том, что подобные автоматизированные системы обычно имеют в своем составе такие информационные подсистемы телекоммуникаций и мониторинга, как системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, автоматизированные идентификационные системы (АИС), системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля. Координация функционирования указанных систем обеспечивается центром управления движением судов, важнейшей составляющей которого является информационно-диспетчерская служба. Для регионов с крупными озёрами или озёрными объединениями (например, Ладожское и Онежское озеро в России, объединение Великих озёр в США и Канаде) возможно включение в состав речной АСУДС так называемых Речных региональных спасательно-координационных центров (РРСКЦ), обеспечивающих приём от судов сигналов бедствия и организацию оперативных поиско-спасательных работ. Помимо отмеченного, вся структура речной АСУДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАССЛЗРЗ и его подсистему высокоточных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАССЛХЗРБ.

Настоящая работа посвящена новому решению актуальной научной задачи по повышению безопасности передачи сообщений мониторинга и управления в указанных выше подсистемах речных АСУ ДС на основе новых инфокоммуникационных САБЕ-технологий.

Для обеспечения решения такой задачи необходимо выполнить исследование, но следующему кругу вопросов. Цели и задачи исследований.

1. Анализ мирового и отечественного опыта построения иерархических триад типа «Корпоративная речная информационная система — речная информационная служба — АСУДС» и особенностей обеспечения безопасности информационных потоков на третьем нижнем уровне с учетом требований метасистемы КРИС — РИС.

Применение Интернет для обеспечения безопасности коммерческой информации при использовании высокоскоростных каналов.

2. Модель структурно-логического синтеза информационно-диспетчерской системы на основе принципов СА8Е-технологий в информациоппо-диснетчерских службах (ИДС) речных АСУ ДС. Синтез структуры информационно-диспетчерской службы на основе принципов САБК-тсхнологий. Особенности построения модели «сущность-связь» и построения баз данных для информационно-диспетчерских систем АСУ.

ДС. Формирование специальных интернет-серверов для хранения и обмена судовыми и навигационными сообщениями.

3. Математическое обеспечение и разработка алгоритмов анализа количественных характеристик, обеспечивающих комплексную информационную безопасность судовых и ЛИС сообщений с приоритетами и без приоритетов информационно-диспетчерской системы речных АСУ ДС на основе использования аппарата Марковских процессов.

4. Имитациониое моделирование системы потоков, обеспечивающих комплексную информационную безопасность передачи судовых и АИС сообщений и разработка предложений по совершенствованию компонентов ИДС информационного обслуживания в речной АСУ ДС.

Методологической основой исследований являются принципы системного анализа и управления технологическими процессами, методы структурного синтеза информационных систем на основе современных САБЕ-технологий, теория алгоритмов, теория систем массового обслуживания, теория управления и принятия решений, основы программной инженерии, теория управления базами данных. Научная новизна работы состоит:

1. В выявлении закономерностей поведения защищенных информационных потоков судовых сообщений и АИС и построении новой модели информационно диспетчерской системы обслуживания таких потоков на основе исследования динамики их поведения при мониторинге и управлении транспортным процессом на ВВП и использование методов и принципов САБЕ-технологий.

2. В применении Интернет как среды для передачи коммерческой информации и способов ее защиты.

3. В синтезе алгоритмов для количественного анализа основных характеристик совокупности информационных потоков судовых сообщений и АИС с различными дисциплинами обслуживания на основе Марковских процессов.

4. В разработке процедур имитационно моделирования защищенных информационных потоков судовых сообщений и АИС с различными дисциплинами обслуживания и в разработке предложений, но совершенствованию дисциплины обслуживания таких потоков с ИДС АСУ ДС.

Практическая ценность работы состоит в том, что сформулированные выводы и рекомендации могут быть иснользовапы при реализации утвержденных федеральным агентством «РосМорРечФлот» программ построения речных АСУ ДС, прежде всего ГБУ «Волго-Балт» и важнейшего его сегмента — Невско-Ладожского района водных путей и судоходства. Кроме того, выводы, рекомендации и предложения работы могут быть использованы при реализации аналогичных программ в других речных бассейнах Единой глубоководной системы ВВП Российской Федерации.

Реализация научных результатов. Отдельные положения диссертационной работы реализованы в Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций.

Публикации и апробации работы. По тематике работы опубликованы 6 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, разработано методическое учебное пособие.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников, содержащего 112 отечественных и зарубежных работ, включает в себя 225 страниц текста, 54 рисунка, 5 таблиц и 7 графиков.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

В настоящее время на внутренних водных путях достаточно широко используются методы и модели статистического моделирования, которые необходимы для анализа надежности и производительности транспортных информационных потоков. Создание, модернизация и управление такими потоками требуют знания и активного применения средств анализа альтернативных решений. Таким средством является моделирование.

Технология моделирования информационных потоков опирается на имитационное машинное моделирование. Термин «имитационное моделирование» часто отождествляется с термином «статистическое моделирование». Статистическое моделирование как метод машинной I реализации имитационных моделей систем, подверженных случайным воздействиям, в настоящее время наиболее употребим.

Статистическое моделирование — это технология, основанная на применении законов математической статистики и способностях современных компьютеров порождать и обрабатывать за короткие промежутки времени огромное количество данных. Тем самым, становиться возможным строить, достаточно точные модели реальных сложных объектов.

В главе излагается материал, связанный со статистическим моделированием информационных потоков и их элементов, формально представляемых в виде случайных графов и систем массового обслуживания.

При имитационном моделировании воспроизводятся траектории «движения» моделируемого объекта в пространстве смены его состояний. Именно «точки» смены состояний являются источниками информации о значениях переменных, по которым вычисляют характеристики моделируемого объекта. Поэтому основное внимание уделено принципам и схемам построения моделирующих алгоритмов, обеспечивающих отображение функционирования объекта во времени.

При воспроизведении на имитационной модели процесса функционирования системы, когда результаты отдельных операций являются реализациями случайных величин • и/или функций, для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой информации.

Статистическое моделирование, по сути, является численным экспериментом с математическими моделями реальных объектов. Результатом такого эксперимента является выборка, по значениям которой вычисляются оценки интересующих исследователя показателей.

Разработано построение модели двухканальной СМО с отказами и абсолютным приоритетом. Модель СМО была реализована с помощью программы в среде Delphi. В процессе нескольких реализаций работы СМО для двух вариантов значений интенсивностей поступления заявок были получены результаты функционирования системы. На основе полученных данных построены графики, позволяющие провести исследование работы СМО. С их помощью проведен анализ полученных данных и сделаны выводы о работе системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа посвящена новому решению актуальной научной задачи по повышению безопасности передачи сообщений мониторинга и управления в речных АСУ ДС на основе применения новых инфокоммуникационных CASE-технологий для математического обеспечения и элементов имитационного моделирования характеристик важнейшего компонента таких АСУ ДС — ИДС информационного обслуживания. I.

На основе теоретических исследований поставленных задач, структурно-логического синтеза, математического, алгоритмического, программного и имитационного моделирования основных характеристик защищенных информационных потоков судовых сообщений и АИС получены следующие основные научные результаты:

• Проведены аналитический обзор и обобщение мирового и отечественного опыта построения иерархических триад типа «Корпоративная речная информационная система — Речная информационная служба — речная АСУ ДС. Проанализированы особенности обеспечения безопасности информационных потоков на третье нижнем уровне триады речных АСУ ДС с учетом требований метасистемы.

Для обеспечения коммерческой безопасности передачи данных через Интернет послужило появление высокоскоростных каналов. VPN (Virtual Private Network) — это технология, которая объединяет доверенные сети, узлы и пользователей через открытые сети, которым нет доверия. Выделено четыре основных варианта построения сети VPN, которые используются во всем мире. Проанализированы преимущества и недостатки данной технологии, а также рассмотрены основные протоколы для обеспечения защиты данных.

• построения информационно-диспетчерских систем АСУ ДС, как составной части корпоративных речных информационных служб на.

ВВП. Проанализированы структура и содержание информационных потоков, обрабатываемых информационно-диспетчерской системой АСУ ДС на ВВП России.

На основе системного подхода при анализе существующих и перспективных ИДС для речных АСУ ДС и применения методов и принципов CASE-технологий, сформулирована и обоснована концептуальная структурно-логическая модель ИДС информационного обслуживания, органично сочетающая динамику информационных потоков при мониторинге и управлении транспортным процессом па ВВП.

Сформулирована методика построения элементов ИДС информационного обслуживания как специальных серверов для хранения и обмена судовыми и навигационными сообщениями, с использованием многозвенной архитектуры «клиент-сервер», на базе глобальной сети Интернет и семейства протоколов TCP/IP, для обеспечения удаленного доступа к информационным ресурсам ИДС. Исследованы количественные характеристики информационных потоков в ИДС информационного обслуживания речных АСУ ДС при различных дисциплинах обслуживания. С использованием теории Марковских процессов ' подвергнуты анализу варианты обслуживания без приоритетов, с приоритетами и смешенного типа.

Предложена конструктивная методика расчета важнейших характеристик информационных потоков в ИДС, таких как:

— среднее число занятых каналов;

— средняя длина очереди;

— коэффициент загрузки системы;

— вероятность отказа по причине ограниченности буфера;

— вероятности ухода требования во время обслуживанияРазработано построение модели двухканальной СМО с отказами и абсолютным приоритетом. Модель СМО была реализована с помощью программы в среде Ое1рЫ. В процессе нескольких реализаций работы СМО для двух вариантов значений интенсивиостей поступления заявок были получены результаты функционирования системы. На основе полученных данных построены графики, позволяющие провести исследование работы СМО. С их помощью проведен анализ полученных данных и сделаны выводы о работе системы.