ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

В работе рассмотрены проблемы помехозащищенности сложных систем и их влияние на эффективность процесса функционирования в заданных условиях. Описано влияние внутренних и внешних помех.

Ключевые слова: сложная система, простая система, эффективность, процесс функционирования, внешние помехи, внутренние помехи, возмущенный процесс, невозмущенный процесс, помехозащищенность системы.

Современные информационные, сетевые технологии, современные технологии производства электронных и вычислительных компонентов и устройств логично и неотвратимо привели к тому, что появилось множество направлений науки и техники, в которых делаются попытки соединить все эти достижения в единое целое, и это, еще не всегда строго классифицируемое «нечто», в любом случае было, остается и всегда будет сложной системой. Это могут сенсорные сети, беспроводные сети, и системы, организуемые на их основе.

Разделение тех или иных реальных систем на сложным и простые, является достаточно условным и связано, большей частью с тем, насколько весомую роль играют общесистемные вопросы функционирования сложных систем при изучении такого целостного объекта. Это последнее обстоятельство непосредственно зависит не столько от свойств самой системы, сколько от тех задач, для решения которых предусмотрено исследование и изучение поведения системы.

Относительно свойств сложных систем, которые позволяют, с допущениями или без, отнести их к разряду «сложных», необходимо отметить следующее.

Система называется сложной, если она состоит включает большое число взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Очевидно допущение, что такая система должна быть способной выполнять одну или несколько сложных функции.

Естественно, что совокупность, состоящая из n изолированных, не связанных между собой элементов, еще не является системой. Для изучения такой совокупности достаточно провести не более n исследований, к тому же только в крайнем случае, когда эти элементы не равны. Когда же речь идет о системе, состоящей из n элементов, необходимо рассматривать n(n-1) возможных связей между ее элементами (в общем случае связь элемента А с элементом В не эквивалентна связи элемента B с элементом А).

Функциональными характеристиками сложных систем являются:

1.                   Эффективность.

2.                   Надежность.

3.                   Качество управления.

4.                   Помехозащищенность.

5.                   Устойчивость.

6.                   Сложность.

Целесообразность создания любой сложной системы, а также ее восстановление, всегда должно определяться эффективностью выполнения, заложенной в нее функции в заданных или изменившихся условиях.

Следовательно, каждый показатель эффективности W зависит от нескольких параметров или групп параметров. Основная роль отведена параметрам системы α1, α2, …, αn и параметрам, характеризующим воздействие внешней среды β1, β2, …, βm.

 Таким образом,

W = W (α1, α2, …, αn ; β1, β2, …, βm)                                                             (1)

Очевидно, что при эксплуатации, функционирование любых сложных систем подвержено влиянию многих случайных факторов, связанных как с внутренним состоянием системы, так и с внешними воздействиями. В таких условиях серьезной проблемой является обеспечение максимальной эффективности системы.

Создание сложных систем, защищенных от влияния условий работы и функционирования практически невозможно. Подобные системы должны иметь глубокое резервирование, что сделает их громоздкими, и, как следствие, малоэффективными. Поэтому сложные системы, за небольшим исключением, создаются для работы с максимально возможной эффективностью в определенных условиях, и в определенное время. Такие условия называются нормальными, а функционирование системы в таких условиях — невозмущенным процессом функционирования системы.

Принятие и описание нормальных условий процесса функционирования сложных систем идеализируют действительность. Но реальные условия эксплуатации, функционирования всегда отличаются от нормальных, даже если эти отличия минимальны. Такие отклонения (отличия) реальных условий эксплуатации систем от заданных и описанных как нормальные, порождают отклонения процессов функционирования системы от невозмущенного процесса функционирования. Такие отклонения принято называть возмущениями, а такой процесс функционирования сложных системы — возмущенным.

На самом деле удобнее рассматривать такие отклонения не как возмущения, а как помехи, которые снижают качество функционирования системы.

Помехи следует разделить на внутренние помехи и внешние помехи.

Внутренние помехи это те, которые возникают внутри самой системы и могут проявляться в виде изменения свойств элементов системы, связей и взаимодействий между ними, всех или нескольких структурных характеристик, которые могут изменить значения параметров α1, α2, …, αn сложной системы, рассматриваемых в формуле (1). Изменения или возмущения значения α* , параметров α , представляются в   виде

α* i = α0 i + Δαi, (2)
где α0 i — значения параметров сложной системы в условиях нормального процесса функционирования, a Δαi — изменения соответствующих параметров, вызванные действием помех.
Примерами возмущений, вызванных внутренними помехами в сложных системах, могут служить ошибки в адресации и логическом представлении элементов системы, ошибки при описании и обработки прерываний.
Проявлением внешних помех являются отклонения от нормы параметров в результате воздействий внешней среды на сложную систему. Это приводит к изменению значений параметров β1, β2, …, βm, входящих в формулу (1). Измененные (возмущенные) значения β* j, параметров βj допустимо представить следующим образом
β* j = β0 j + Δβj, (3)
где β0 j — значения параметров, которые показывают характер воздействия со стороны внешней среды при функционировании в нормальных условиях, a Δβj — изменения параметров под действием помех.
Внешними помехами, влияющих на работу сложных систем, являются атмосферные и промышленные шумы в каналах связи (как проводных, так и беспроводных), приводящие к разрушению и, следовательно, потере элементов системы.
В некоторых случаях, допускается невозмущенный процесс функционирования системы считать полностью детерминированным, при котором все случайные отклонения сводятся к возмущениям. При этом условия нормального функционирования будут практически соответствовать тем состояниям, когда влияние случайные факторы оказывают нулевое влияние.

можно принять как показатель помехозащищенности сложной системы. А сама величина Δ W0 пом показывает, насколько может быть снижена эффективность системы при условии воздействия помех с определенными характеристиками.
Кроме абсолютной оценки помехозащищенности системы, можно дать сравнительную оценку воздействия помех с различными качественными и количественными характеристиками. Для этого в соотношение (6)
вместо W0 норм и W* пом подставим значения показателя эффективности W, относящихся к сравниваемым случаям.

Для наглядности отображения веса (значимости) того или другого вида помех пользуются также и относительной оценкой помехозащищенности, рассматривая отношение величины ΔW0 пом к величине произвольной характеристики помехи. Допустимы также различные отдельные показатели, дающие оценку влияния помех на работу сложных систем целиком и отдельных ее элементов.
Относительно рассматриваемых показателей возникает вопрос, допустимо ли ограничиться только показателем эффективности W, хотя бы в тех условиях, когда требуется не синтез системы, а просто оценка этого показателя?
Сказанное выше о показателях эффективности можно представить следующей элементарной схемой. Пусть имеется п факторов xi (помехозащищенность, надежность, качество управления и т. д.).
Каждому из этих факторов можно приписать некоторое идеальное значение x0 i (например, для оценки надежности это означает, что все элементы системы имеют абсолютную надежность или «абсолютно надежны»). Обозначим через xi реальные значения рассматриваемых факторов. Тогда допустимо следующее приближенное представление


по крайней мере, если значения xi близки к идеальным. Рассчитать значение W(x0 1, x0 2, …, x0 n) можно на основании достаточно простой математической модели, а поправки ΔiW — только на основании специализированных моделей. Современные сложные системы не допускают, чтобы влияние различных факторов учитывались одновременно. Наоборот, создаются отдельные модели определения и прогнозирования надежности, помехозащищенности. В итоге, на основании приближенной формулы (7) возможно рассчитать, с допустимой точностью и вероятностью, значение основного показателя эффективности, учитывая все главные факторы. Очевидно, следует учесть и эффекты от их взаимодействия (такие, как влияние помех, внутренних и внешних, на показатель надежности сложной системы). Тем не менее, после вывода формулы расчета ΔiW, пути решения задачи оценки помехозащищенности можно считать достаточно определенными.

Список литературы

1.        Дорохов А.Н., Керножицкий В.А., Миронов А.Н., Шестопалова О.Л. Обеспечение надежности сложных технических систем. Учебник. - СПб.: «Лань», 2011.- 352 с.

2.        Червоный А.А., Лукьященко В.И., Котин Л.В. Надежность сложных систем. Издание 2-е, перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1976. - 288 с.

3.        Дорохов А.Н. Обеспечение надежности систем управления объектами. Учебник. – СПб.: Балт.гос.техн.ун-т. – 2009. – 291 с.

4.        Острейковский В.А. Теория надежности. Учебник для вузов – М.: Высш. шк., 2003 – 463 с.

5.        Половко А.М. Основы теории надежности. Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.– СПб.: БХВ – Петербург 2006. – 702 с.