Способ и алгоритмы структурно-параметрического синтеза автоматизированной системы управления региональной службой безопасности корпорации

Актуальность. Современный этап развития региональных систем безопасности крупных территориальнораспределенных корпораций (РСБК), характеризуется существенным повышением уровня требований к полноте контроля охраняемых сложноструктурированных и распределенных объектов, организационнотехнических комплексов и систем, обоснованности, достоверности и оперативности принимаемых управленческих решений при решении основных классов существующих и перспективных задач обеспечения интегральной корпоративной безопасности.

Выполнение комплекса противоречивых требований к РСБК в современных условиях может быть достигнуто путем наращивания и оптимизации структуры и состава используемых автоматизированных средств мониторинга и управления РСБК, расширения выполняемых функций и повышения быстродействия и уровня их адаптации к условиям эксплуатации, внедрения в используемые системы управления (СУ) РСБК новых информационных технологий, основанных в первую очередь на применении перспективных методов и средств мониторинга и интеллектуализированных распределенных систем поддержки принятия решений с расширяемой архитектурой.

При создании подобных СУ на единой методологической основе системного подхода должна быть обеспечена интеграция большого числа распределенных организационнотехнических подсистем, осуществляющих мониторинг и решение широкого спектра существующих и ряда новых задач управления сложными организационнотехническими системами в оперативно-приемлемое время и в конкретных зонах ответственности.

Современный этап создания подобных автоматизированных систем и внедрения современных методов и технологий в практику РСБК характеризуется следующими основными моментами:

— в практику решения задач РСБК все более широко начинает внедряться широкий спектр сигнализационноохранных средств и устройств, обеспечивающих с достаточно высокой эффективностью контроль в реальном масштабе времени различных по протяженности и назначению объектов;

— в настоящее время для решения отдельных задач управления РСБК в автоматизированных режимах планируется применение элементов геоинформационных и многоагентных технологий и систем, систем позиционирования, а также статистических, нейросетевых и ряда структурных методов распознавания образов для решения задач оценки угроз безопасности и ситуаций на охраняемых объектах, а также семантического сжатия разнородной признаковой информации в процессах поддержки принятия решений;

— пока не создано теоретических, методологических и реализационных основ решения задач структурнопараметрического синтеза перспективных структурно и параметрически адаптируемых автоматизированных систем управления РСБК с расширяемой архитектурой (РА), являющихся базисом решения большого числа типовых и новых задач синтеза реального уровня сложности и позволяющих в полной мере обеспечить выполнение современных требований, предъявляемых к подобным системам.

В частности, проведенный анализ известных подходов к синтезу СУ РСБК и других сложных организационнотехнических систем показал, что в рамках большинства подходов невозможно создать компактные, легко модифицируемые модели РСБК с РА, отражающие одновременно структурные, статистические и алгебраические (параметрические) особенности данного класса сложноструктурированных систем. В рамках большинства подходов затруднено явное описание правил расширения архитектуры РСБК. В то же время определенные предпосылки для решения рассматриваемого класса задач созданы в последние годы в рамках структурноалгебраического подхода на основе атрибутных метаграмматик, предложенного и развитого в работах, ориентированных на описание и анализ сложных информационнотехнических систем. В рамках данного подхода возможно создание компактных, легко модифицирумых единых продукционноалгебраических описаний синтезируемых классов систем, автоматическая генерация и структурная наращиваемость вариантов их построения по заданной системе правил. В то же время в прямой постановке для решения рассматриваемого класса задач данный подход не использовался, в его рамках пока рассмотрен только ряд формальных моделей на основе отдельных подклассов метаграмматик (МГ) для задач распознавания образов и описания ситуаций. Применение данного подхода для решения рассматриваемого класса задач определяет необходимость дальнейшего развития используемых классов метаграмматик и ориентированных на них методов синтаксического анализакак основы способа генерации и анализа вариантов построения РСБК с РА.

Таким образом, преодоление сложившегося объективного противоречия между современными требованиями, предъявляемыми к разрабатываемым системам управления РСБК и возможностями существующих систем, методов и средств возможно на путях создания адекватного сложившейся ситуации теоретического и методического аппарата синтеза РСБК с РА в рамках структурноалгебраического подхода с позиций развиваемого математического аппарата атрибутных метаграмматик.

В связи с этим, решение в рамках рассмотренного подхода задачи разработки способа и алгоритмов структурнопараметрического синтеза автоматизированной распределенной СУ РСБК с РА является актуальным и представляет несомненный практический интерес.

Объектом исследования является распределенная, с расширяемой архитектурой автоматизированная система управления региональной службой безопасности корпорации.

Предмет исследования — процесс структурнопараметрического синтеза автоматизированной системы управления региональной службой безопасности корпорации.

Цель исследований повышение эффективности функционирования автоматизированной системы управления региональной службой безопасности корпорации в современных условиях. Основными задачами являются:

1. Анализ социальноэкономических и научнотехнических предпосылок решения задач структурнопараметрического синтеза автоматизированных распределенных систем управления РСБК. Обоснование и выбор основных направлений исследований в рамках структурно-алгебраического подхода на основе предложенного специального подкласса метаграмматикстохастических атрибутных графовых метаграмматик (САГМ).

2. Разработка САГМкак основы эталонных структурно-алгебраических описаний (моделирования) сложноструктурированных СУ РСБК с расширяемой архитектурой.

3. Разработка способа и алгоритмов синтаксического анализа САГМ-как процедурной основы способа структурнопараметрического синтеза автоматизированных распределенных СУ РСБК с РА. Теоретическая и экспериментальная проверка предложенного способа и реализующих его алгоритмов и процедур.

4. Реализация предложенных способа и алгоритмов при создании аппаратнопрограммных комплексов анализа и синтеза СУ РСБК. Проверка эффективности их функционирования при решении типовых задач.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1.Предложена структурноалгебраическая модель синтезируемых распределенных СУ РСБК с РА на основе САГМ, обеспечивающая описание правил генерации структур и расчет основных параметров вариантов построения системы.

2.Разработан способ и алгоритм синтаксического анализа САГМкак процедурной основы способа структурнопараметрического синтеза автоматизированных распределенных систем управления РСБК, позволяющий снизить временную сложность алгоритмов синтеза с экспоненциальной до квадратичной зависимостей для типовых вариантов построения СУ РСБК.

3. Предложена общая итерационная схема структурно параметрического синтеза СУ РСБК на основе САГМ и ориентированного на них способа синтаксического анализа «сверху-вниз», обеспечивающая снижение на 1−2 порядка числа операций при выборе вариантов построения СУ РСБК по сравнению с лучшим из известных методов синтаксического анализа.

Методы исследований основаны на использовании теории формальных грамматик и грамматических структур, синтеза сложных информационно-технических комплексов и систем, поддержки принятия решений в интеллектуализированных системах, теории вероятностей и математической статистики.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволили: — уменьшить объем проектных работ и финансовых средств на модернизацию ряда типовых СУ РСБК крупных корпораций;

— сократить временные затраты на решение задач структурнопараметрического синтеза перспективных сложных СУ РСБК, а также создать методический и практический задел для их решения;

— обосновать состав и структуру базовой СУ РСБК Тюменского региона ОАО «Газпром» и предложения по ее расширению.

Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе Курского государственного технического университета и внедрены в ОАО «Газпром», в/ч 25 714, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 24 Военнонаучной конференции в/ч 45 807-Р/2, VI Международной научнотехнической конференции «Медикоэкологические информационные технологии-2003», VI Международной научнотехнической конференции «Оптикоэлектронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации-„Распознавание-2003“».

Публикации, основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях, 6 тезисах и материалах докладов, 1 итоговом отчете о НИР.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем (в соответствии с тематикой работ) предложены формально-лингвистические модели на основе САГМ, способ и алгоритмы синтаксического анализа САГМ, принципы, способы, алгоритмы и обобщенные схемы построения СУ РСБК с РА, предложения по созданию их отдельных элементов.

На защиту выносятся:

1. Эталонные продукционные описания (модели) синтезируемых сложноструктурированных автоматизированных распределенных систем управления региональных служб безопасности корпорации в виде САГМ.

2. Способ и алгоритм синтеза и перебора вариантов СУ РСБК на основе синтаксического анализа выбранного подкласса регулярных стохастических атрибутных графовых метаграмматик.

3. Общая итерационная схема структурнопараметрического синтеза автоматизированных распределенных систем управления региональных служб безопасности корпораций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 30 рисунков, 5 таблиц, список литературы состоит из 105 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.

1. Проведенные в диссертации теоретические исследования явились основой для разработки автоматизированной системы генерации и анализа вариантов синтезируемой СУ РСБК, являющейся составной частью общей системы проектирования перспективных РСБК. Предложенная схема системы генерации и анализа вариантов СУ РСБК является модификацией классической схемы структурнопараметрического синтеза в рамках структурноалгебраического подхода, направленной на учет:

— многоуровневого построения метаграмматических описаний и правил согласования грамматик;

— особенностей задания и использования графовых и стохастических грамматик при генерации вариантов и их анализе;

— специфики вычисления унаследованных и синтезированных атрибутов с использованием специальных программных имитационных комплексов.

2. Проведенная экспериментальная проверка предложенного способа и реализующих его алгоритмов показала, что их применение позволяет снизить на 1−2 порядка среднюю временную сложность процедур синтаксического анализа по сравнению с известными алгоритмами синтаксического анализа при решении рассматриваемого класса задач.

3. Предложенный алгоритм и комплекс имитационных моделей использовались при выборе вариантов синтезируемых и модернизируемых СУ РСБК ОАО «Газпром». Внедрение предложенных программ позволило на 25−30% сократить общее время внешнесистемного проектирования перспективных СУ РСБК за счет автоматизации процедур генерации и анализа вариантов создаваемых систем.

4. Результаты эксплуатации созданных СУ РСБК ОАО «Газпром» подтвердили правильность теоретических положений, выбранных организационнотехнических решений, соответствие современным требованиям к комплексной системе безопасности корпорации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена научнотехническая задача разработки способа и алгоритмов структурнопараметрического синтеза автоматизированной распределенной системы управления региональной службой безопасности корпорации. При этом получены следующие основные результаты:

1. Показано, что одним из путей повышения эффективности создания перспективных и модернизации существующих СУ РСБК является использование автоматизированных способов и алгоритмов структурно-параметрического синтеза с позиций структурноалгебраического подхода, базирующегося на теории атрибутных метаграмматик.

2. На основе анализа специфики деятельности СУ РСБК в современных условиях с учетом особенностей решения задач их структурно-функционального синтеза осуществлена разработка концептуальной модели СУ РСБК, позволившая провести начальную формализацию решаемой научнотехнической задачи.

3. В рамках создания формальных основ структурно-параметрического синтеза СУ РСБК предложен новый подкласс атрибутных метаграмматик — стохастические атрибутные графовые метаграмматики, который включает в свой состав представительное множество новых атрибутных грамматических систем для решения задач структурно-параметрического описания вариантов построения синтезируемых автоматизированных СУ. Проведенная классификация САГМ показала, что предложенные правила объединения грамматик в единую систему не накладывают жестких ограничений на типы используемых в САГМ грамматик по Хомскому, допуская применение широкого спектра известных и новых интерпретаций отношений между грамматиками применительно к решаемым прикладным задачам.

4. Анализ свойств предложенных классов метаграмматик показал, что помимо сохранения свойств отдельных атрибутных грамматик при их системном объединении в рамках САГМ снижается громоздкость синтаксических описаний, повышается их наглядность и уменьшается сложность при сохранении мощности порождаемых семейств языков. В частности, при использовании в атрибутных обычных и графовых метаграмматиках, помимо правил согласования типа «терминал-» начальный символ" (TS), дополнительных правил типа «терминал—» метка продукций" (TP), «терминал-» нетерминал" (TN), имеющих различные интерпретации, позволяет порождать языки, относящиеся к более сложным классам по иерархии Хомского, чем языки, порождаемые соответствующими одноуровневыми атрибутными грамматиками. В результате анализа свойств САГМ сделан вывод о возможности применения при решении рассматриваемых в диссертационной работе задач регулярных САГМ с TS, TP и TN правилами согласования.

5. В рамках предложенных формальных схем рассмотрены основные пути создания структурнопараметрических описаний синтезируемых СУ РСБК. Показано, что применение САГМ с TS, TP, TN правилами согласования позволяет использовать в качестве процедурной компоненты анализа и синтеза вариантов построения рассматриваемых классов СУ модификаций одних из наиболее эффективных алгоритмов синтаксического анализа регулярных графовых метаграмматик, имеющих квадратичную временную сложность.

6. Разработаны способ и реализующая его общая итерационная схема структурно-параметрического синтеза СУ РСБК. В качестве формальной основы данного способа предложены способ и алгоритм синтаксического анализа САГМ, являющийся модификацией способа синтаксического анализа «сверху-вниз» и использующий для вычисления атрибутов на отдельных шагах анализа имитационные и аналитические модели. Апробация данного способа и реализующих его алгоритмов показала, что их применение позволяет снизить на 1−2 порядка временную сложность процедур синтаксического анализа по сравнению с известными алгоритмами синтаксического анализа при решении рассматриваемого класса задач.

7. Разработаны блоксхема системы генерации и анализа вариантов синтезируемой СУ, алгоритмы функционирования системы проектирования СУ РСБК рассматриваемого класса, предложения по их применению и дальнейшему совершенствованию. Результаты экспериментальных исследований и использования разработанного макета системы структурно-параметрического синтеза СУ, результаты эксплуатации созданных СУ РСБК ОАО «Газпром» подтвердили правильность теоретических положений, выбранных организационнотехнических решений, соответствие современным требованиям к комплексной системе безопасности корпорации.