Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние транспортной безопасности и безопасности объектов транспортной инфраструктуры 18
1.1. Транспортная безопасность, как фактор обеспечения безопасности объектов информатизации транспортной отрасли: от нормативных требований законодательства к практике их применения 18
1.2. Определение объектов информатизации транспортной сферы как критически важных для национальной безопасности страны объекты 21
1.3. Концепция и модель обеспечения информационной безопасности и защиты информации, обрабатываемой в процессе функционирования объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств 24
1.4. Общее понятие мультисервисной сети транспортной отрасли 31
1.5. Состав сетевого трафика мультисервисной сети транспортной отрасли 32
1.6. Логико-вероятностная модель полной и частичной идентификации пользователя в мультисервисной сети транспортной отрасли 1.6.1. Основные принципы идентификации пользователей в МСТО 34
1.6.2. Классы информационных систем и сервисов, входящих в МСТ035
1.6.3. Модель идентификации пользователя в МСТО 39
1.6.4. Вероятность верной идентификации пользователя в мультисервисной сети транспортной отрасли 42
1.7. Методы и технологии обеспечения необходимого режима информационной защищенности активов мультисервисной сети транспортной отрасли с точки зрения эталонной модели взаимодействия открытых систем 43
1.8. Качество функционирования мультисервисной сети транспортной54
1.8.1. Постановка задачи передачи данных в мультисервисной сети транспортной отрасли 59 1.8.2. Оценка стоимости и экономической эффективности проекта 62
1.9. Выводы по первой главе 63
2. Угрозы безопасности объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств: алгоритм опенки уязвимостей, определение, классификация и методы противодействия угрозам 68
2.1. Понятие уязвимостей объектов информатизации транспортной сферы и их оценка 68
2.1.1. Угрозы безопасности и возможные пути уменьшения риска их реализации 69
2.2. Безопасность функционирования объектов транспортной инфраструктуры 71
2.2.1. Безопасность транспортных путей 72
2.2.2. Безопасность транспортно-логистических узлов
2.3. Безопасность транспорта 75
2.4. Безопасность груза 86 Выводы по второй главе 89
3. Обеспечение безопасности функционирования объектов транспортной инфраструктуры 92
3.1. Многокритериальная математическая модель формирования наилучшей структуры размещения объектов информатизации транспортной сферы 92
3.2. Построение экспертной системы оценивания
3.2.1. Отбор экспертов 104
3.2.2. Методы опроса экспертов 107
3.2.3. Методы обработки экспертной информации 108
3.3. Определение критериев, влияющих на размещение объектов ТИ 113
3.3.1. Метод усеченных параллепипедов 116
3.3.2. Метод параболических цилиндров 122
3.4. Проведение вычислительного эксперимента по нахождению оптимального места размещения транспортно-логистического центра на Дальнем Востоке 125
3.5. Общая модульная структура автоматизированной системы управления объектом транспортно-складской инфраструктуры в защищенном исполнении 156 Выводы по третьей главе 184
4. Обеспечение безопасности судоходства 186
4.1. Дноуглубительные работы 186
4.2. Обеспечение безопасности функционирования транспортных средств 1 4.2.1. Рациональное размещение груза на различных видах транспорта198
4.2.2. Рациональное размещение груза на водном транспорте 203
4.2.3. Оптимизация размещения груза с использованием единой системы координат для всего трюма 204
4.2.4. Оптимизация размещения груза с использованием четырех систем координат 210
4.2.5. Введение ограничений на непересечение 212
4.3. Алгоритмическое и информационное обеспечение процесса рационализации размещения груза на транспортных объектах 216
4.3.1. Постановка задачи рационального размещения груза 216
4.3.2. Критерий эффективности (КЭ) в оптимизационных и рационализаторских задачах раскроя и компоновки 218
4.3.3. Декомпозиция задачи, определение множества путей и методов решения 220
4.3.4. Генетические алгоритмы 224
Выводы по четвертой главе 249
Беспечение безопасности перегрузочных операции: модель актуализации и восстановления недостающих данных по размещению груза 252
5.1. Параметрическая модель размещения груза, учитывающая безопасность эксплуатации судна с точки Зрения его остойчивости 252
5.2. Модель восстановления по данным судовых приборов недостающей информации по размещению груза, потеря которой вызвана системным поликомпонентным сдвигом грузовых объектов 260 Выводы по пятой главе 270
Заключение 272
Список принятых сокращений 276
Список использованных источников
- Определение объектов информатизации транспортной сферы как критически важных для национальной безопасности страны объекты
- Безопасность функционирования объектов транспортной инфраструктуры
- Построение экспертной системы оценивания
- Алгоритмическое и информационное обеспечение процесса рационализации размещения груза на транспортных объектах
Введение к работе
Актуальность темы и научной проблемы. Вопросы обеспечения информационной безопасности объектов транспортной инфраструктуры в последние несколько лет находятся на первом месте во всех процессах жизнедеятельности транспортной отрасли. Особенную роль безопасность на транспорте стала играть в связи с взаимной интеграцией российского и западного рынков и в условиях конкурентной борьбы.
Интенсификация транспортных процессов ставит новые задачи, решение которых необходимо повсеместно сопровождать современным технологическим ростом, это все, как следствие, порождает новые угрозы и необходимость формирования обновленной основы для их предотвращения.
Согласно ГОСТ Р 51275-2006 «Защита информации. Объект информатизации...» под «объектом информатизации понимается совокупность информационных ресурсов, средств и систем обработки информации, используемых в соответствии с заданной информационной технологией...». Федеральный закон от 9 февраля 2007 г. № 16-ФЗ «О транспортной безопасности» определяет понятие транспортной безопасности следующим образом: «транспортная безопасность - состояние защищенности объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств от актов незаконного вмешательства». В связи с предпосылками, заложенными на законодательном уровне, можно говорить, что понятие комплексного обеспечения безопасности объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) как объектов информатизации тесно связано с понятием обеспечения транспортной безопасности и во многом зависит от принятых мер обеспечения безопасности автоматизированных систем управления (АСУ) ОТИ, так и мероприятий обеспечения физической защиты.
В последние годы приняты соответствующие Федеральные законы и подзаконные акты, регламентирующие деятельность в области обеспечения транспортной безопасности, определяющие угрозы безопасности и механизмы их предотвращения, а также устранения последствий в случае наступления внештатных, чрезвычайных ситуаций.
В соответствии с «Основными направлениями государственной политики в области обеспечения безопасности автоматизированных систем управления производственными и технологическими процессами критически важных объектов инфраструктуры Российской Федерации» (утв. Президентом Российской Федерации Д. Медведевым 3 февраля 2012 г., № 803) под критически важным объектом инфраструктуры РФ понимается «объект, нарушение (или прекращение) функционирования которого приводит к потере управления, разрушению инфраструктуры, необратимому негативному изменению (или разрушению) экономики страны, субъекта Российской Федерации либо административно- территориальной единицы или существенному ухудшению безопасности жизнедеятельности населения, проживающего на этих территориях, на длительный срок».
При обеспечении безопасности ОТИ необходимо учитывать, что в
соответствии с методикой отнесения объектов государственной собственности к критически важным объектам (КВО), утвержденной министерством по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, для национальной безопасности Российской Федерации ряд ОТИ относятся к КВО, в первую очередь, в связи с тем, что среди них подавляющее большинство являются организациями, обеспечивающими функционирование инфраструктуры общегосударственного значения, в частности, железнодорожного, авиационного и морского транспорта. Проблема комплексного обеспечения их безопасности связана с многогранностью процессов их функционирования и управления ими и включает в себя все четыре вида защиты, определённые в ГОСТе ФСТЭК РФ «Требования к обеспечению защиты информации в автоматизированных системах управления производственными и технологическими процессами на критически важных объектах...» (далее - Требования): правовая, техническая, криптографическая и физическая. Также указанные Требования определяют и роль физических мер в структуре мер обеспечения безопасности: «в целях исключения избыточности в реализации защитных мер информации, если принятые в ОИ меры по физической безопасности (СФЗ - система физической защиты) обеспечивают блокирование 4 угроз безопасности информации, отдельные меры защиты информации могут не применяться». Таким образом, можно говорить о первостепенной необходимости проработки физических мероприятий по защите ОИ, которые должны рассматриваться с точки зрения минимизации общей избыточности, включая и программно-аппаратные способы защиты.
Чтобы говорить об объективности управления процессом обеспечения информационной безопасности, не упуская при этом всей специфики процессов на транспорте, необходима разработка научных, методологических, математических, алгоритмических и инструментально-информационных средств обеспечения информационной безопасности систем автоматизации основных видов деятельности, связанных между собой в виде эффективного синтеза в единое пространство информационного обмена и управления процессами.
Все основные проблемы в транспортной сфере зачастую возникают из-за нехватки времени и ресурсов. В свою очередь нехватка возникает из-за нерационального планирования.
Основной панацеей современности, несомненно, являются информационные технологии, которые позволяют значительно ускорить и рационально реструктуризировать процессы с целью повышения уровня их эффективности и безопасности.
Многолетний опыт стандартизации и слаженного управления процессами в транспортной сфере, имеющихся у стран Европы и США, показывает важность организации постоянного мониторинга и контроля всех внутренних процессов на транспорте и внешних факторов, оказывающих на них влияние.
Своевременное и качественное управление функционированием транспортных средств, качеством путей их передвижения, грузовыми операциями и деятельностью объектов транспортной инфраструктуры позволит
сохранить множество жизней и здоровье людей, а также избежать нежелательных материальных потерь и оптимизировать транспортные процессы с целью увеличения прибыли.
В этой связи целью диссертационной работы является исследование и разработка комплекса концепций, моделей, методов, алгоритмов и программ, предназначенных для обеспечения информационной безопасности АСУ ОТИ и транспортными средствами (ТС) как объектами информатизации (ОИ) путем централизации управления ими и формирования научных основ их безопасного функционирования.
Объект исследования - информационно-технологическое и автоматизированное взаимодействие объектов ТИ и ТС, в том числе, критически важных для национальной безопасности страны объектов, с помощью АСУ и в процессе реализации функций своего существования.
Предмет исследования - методы, модели и алгоритмы информационных и транспортных процессов ОТИ и ТС, а также методы, модели и механизмы функционирования АСУ в защищенном исполнении (ЗИ) на транспорте.
Научная проблема, исследуемая в работе: недостаточный уровень информационной безопасности объектов ТИ и ТС, в том числе, критически важных для национальной безопасности страны объектов, как ОИ, на основе концепции и модели централизации автоматизированного управления объектами с учетом их взаимосвязи и взаимного влияния в процессе функционирования и внедрения единых норм и правил, методов и механизмов, с использованием современных инфокоммуникационных технологий, имеющих важное значение для развития транспортной отрасли и экономики страны.
В таком аспекте научная проблема сформулирована впервые и её решение достигнуто путем выработки и реализации следующих положений, выносимых на защиту:
1. Концепция и модель обеспечения информационной безопасности и
защиты информации, обрабатываемой в процессе функционирования ОТИ и ТС,
основанная на построении единого пространства информационного обмена
(ЕПИО) АСУ ТИ и ТС.
2. Модели построения и функционирования мультисервисной сети
транспортной отрасли (МСТО) в защищенном исполнении в условиях передачи
разнородного трафика с технологией дискретной идентификации пользователя в
выбранном наборе сервисов.
3. Концепция оценки качества безопасного функционирования МСТО как
основы существования ЕПИО АСУ ТИ и ТС.
-
Классификация и методы противодействия угрозам хищения (разрушения, модификации) ОТИ и ТС как объектов информатизации, а также алгоритм оценки уязвимостей, приводящих к реализации указанных угроз.
-
Модель формирования наиболее безопасной, целесообразной и выгодной структуры размещения ОИ транспортной сферы (включая критически важные объекты) на основе учета априорно определяемых критериев и заранее известных их значений.
6. Методы обеспечения безопасности функционирования ТС, основанные
на математических моделях формирования рациональных планов размещения
груза.
7. Модель актуализации и восстановления недостающих данных по
размещению груза, построенная для выполнения мероприятий по поддержанию
целостности и достоверности сведений по эксплуатации судна, с целью
обеспечения безопасности его работы.
8. Общая модульная структура автоматизированной системы управления
объектом транспортно-складской инфраструктуры в защищенном исполнении.
Необходимость и важность разработки выносимых на защиту научных положений вызвана острой потребностью формирования единой информационной политики обеспечения информационной безопасности АСУ ОТИ, имеющей в основе своей проработанные научные и практические модели информационных процессов на транспорте и транспортных процессов, а в качестве инструментария - набор математических моделей, алгоритмических структур и программно-аппаратных средств обеспечения безопасной и непрерывной работы транспортной отрасли.
Концепция и модель обеспечения информационной безопасности и защиты информации, обрабатываемой в процессе функционирования ОТИ и ТС, сформулированная на основе построения ЕПИО АСУ ТИ и ТС необходимы, так как на данный момент отсутствуют научные основы обеспечения основными средствами безопасного функционирования единой среды взаимодействия АСУ ОТИ, представленной в виде синтеза информационных систем на транспорте в условиях согласованного взаимодействия и взаимного влияния. Концепция и модели отличаются тем, что впервые сформулировано понятие единого пространства информационного обмена объектов транспортной инфраструктуры и определены методы обеспечения его безопасности, что позволяет обеспечить их слаженную работу с учетом особенности следования принципу повышения уровня защищенности и, как следствие, уровня информационной и инфраструктурной транспортной безопасности.
Разработка моделей функционирования МСТО в защищенном исполнении в условиях передачи разнородного трафика с технологией дискретной идентификации пользователя в выбранном наборе сервисов оправдана важностью и острой необходимостью построения единой среды информационного обмена в защищенном исполнении автоматизированных систем управления на транспорте. Для обеспечения гарантий бесперебойной и высококачественной работы МСТО и ЕПИО АСУ ТИ и ТС разработана концепция оценки качества безопасного функционирования МСТО как основы существования ЕПИО АСУ ТИ и ТС.
Разработанные модель и концепция отличаются возможностью учета передачи разнородного трафика, определяют понятие защищенного исполнения МСТО и формализуют подход к дискретной идентификации пользователя в выбранном наборе сервисов. Модель МСТО также позволяет отслеживать качество работы сети, что обеспечивает своевременное реагирование на
внештатные ситуации, связанные также с изменением состояния защищенности на основе ключевых свойств информации: конфиденциальность, целостность и доступность.
Классификация и методы противодействия угрозам хищения (разрушения, модификации) ОТИ и ТС как объектов информатизации, а также алгоритм оценки уязвимостей, приводящих к реализации указанных угроз, необходимых для своевременного обнаружения, предотвращения и устранения последствий реализации угроз, направленных на вывод из строя (остановку функционирования) ОТИ и ТС. За эту область отвечают решения задач обеспечения транспортной безопасности, которые отдельно рассмотрены в работе. Классификация отличается возможностью разделения угроз хищения (разрушения, модификации) ОТИ и ТС как объектов информатизации и дальнейшей разработкой методов противодействия и устранения последствий реализации угроз безопасности. Предложенная классификация позволяет рассматривать понятие защищенности дискретно, определяя соответствие превентивным и оперативным мероприятиям по обеспечению необходимому для данного объекта информатизации уровню безопасности.
С целью обеспечения безопасного и качественного функционирования объектов транспортно-складской инфраструктуры и разработки превентивных мер, направленных на уменьшение вероятности реализации угроз информационной и транспортной безопасности, в диссертационном исследовании сформулирована модель формирования наиболее безопасной, целесообразной и выгодной структуры размещения ОИ транспортной сферы (включая критически важные объекты) на основе учета априорно определяемых критериев, что позволяет заранее учитывать факторы, влияющие на информационную и транспортную безопасность в процессе существования и функционирования ОТИ.
С целью минимизации рисков транспортных операций, с учетом особенной специфики водного транспорта, разработаны и предложены научно-обоснованные методы обеспечения безопасности функционирования ТС, основанные на математических моделях формирования рациональных планов размещения груза.
Для устранения последствий реализации угроз, направленных на физическую защищенность перевозящего груз ТС, разработана модель актуализации и восстановления недостающих данных по размещению груза, построенная для выполнения мероприятий по поддержанию целостности и достоверности сведений по эксплуатации судна, с целью обеспечения безопасности его работы, отличающаяся возможностью одновременного учета требований:
- по судовой остойчивости, для обеспечения безопасной эксплуатации
судна,
- по более рациональному использованию ТС путем минимизации
свободного места с учетом зон, необходимых для технологических процессов.
Общая модульная структура автоматизированной системы управления
объектом транспортно-складской инфраструктуры в защищенном исполнении (ЗИ) необходима для наглядной демонстрации частного случая организации и функционирования структуры АСУ ОТИ ЗИ и отличается возможностью определения зон и мероприятий по обеспечению безопасности в зависимости от участка автоматизации.
Теоретической основой проводимых исследований являлись методы обеспечения информационной безопасности, системного анализа, теории алгоритмов, математического анализа, математической логики, теории вероятностей, методы математического моделирования, математический аппарат оптимизации, эвристические методы решения оптимизационных задач, в частности, генетические алгоритмы, теория автоматического и автоматизированного управления.
Научная новизна диссертации заключается в том, что решена актуальная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, методологическое, экспериментальное и информационно-технологическое обоснование и решение задач сформулированной проблемы в области комплексного обеспечения транспортной отрасли необходимыми методами, механизмами и средствами управления процессом обеспечения информационной безопасности АСУ ОТИ.
Значимость научных результатов заключается во вкладе автора в развитие научных основ построения безопасных автоматизированных информационных систем на транспорте, в разработке принципиально новых методов и моделей обеспечения информационной безопасности объектов транспортной инфраструктуры как объектов информатизации, рассматривая её как основу для взаимосвязи и взаимодействия всех транспортных процессов, с использованием современных инфокоммуникационных технологий.
Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и результатов диссертационного исследования заключается в корректном использовании известных методов обеспечения безопасности объектов информатизации, методов анализа и синтеза систем, последовательной системности разработанных методов и моделей, подтвержденных результатами проведенных экспериментов; согласованностью полученных результатов, исходных данных и предпосылок проведения исследования; гармоничной взаимообусловленной согласованности всех структур и частей исследуемого объекта и гармоничности их общего синергетического эффекта.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в разработке на основе предложенных методов, моделей и алгоритмических структур конкретных программных продуктов, на которые получены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.
Разработанные в диссертационном исследовании научные основы, концепции, методы, модели, алгоритмы и программы легли в основу решений по обеспечению безопасности и оптимизации транспортных процессов, учету угроз информационной и транспортной безопасности, безопасности эксплуатации
различных видов транспорта и в полной мере соответствуют требованиям федерального законодательства, норм и правил транспортной сферы.
Дальнейшим направлением развития диссертационного исследования является детальная проработка конкретных чрезвычайных ситуаций, введения свойства обратной связи и частной адаптации полученных моделей с учетом специфики видов транспорта, видов перевозимых грузов и характера транспортных операций, а также получаемого экономического и технологического эффектов.
Личный вклад. Результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные с участием автора, отражены в источниках научно-технической информации.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе научные результаты получили внедрение в ЗАО «Канонерский судоремонтный завод», ЗАО «Си Лоджистикс» (Sea Logistics Ltd.), ЗАО «Первый Контейнерный Терминал», ЗАО «Интерферум-металл» морской терминал, ООО «Балтморпроект», ООО «Балтийская топливная компания» в учебном процессе кафедр «Комплексное обеспечение информационной безопасности», «Прикладная математика», «Транспортная логистика» ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала СО. Макарова», НИОКР кафедр «Прикладная математика» и «Комплексное обеспечение информационной безопасности» ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О.Макарова», 11 программных продуктов получены свидетельства на программы ЭВМ: №2011613394, №2011613395, №2011613396, №2012614972, №2012614973, №201361386819, №2013618025, №2013618026, №2014612612, №2014617894, №2014661073.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационного
исследования докладывались на 22 научных конференциях: Научно-техническая
конференция молодых научных сотрудников «Водные пути и гидротехнические
сооружения, портовая техника и электромеханика, судостроение и судоремонт,
гуманитарные вопросы, экономика и финансы, юриспруденция, 2007 год, Санкт-
Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК; Международная научно-практическая
конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного
транспорта России «Водные пути: строительство, эксплуатация, управление»,
2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК; 7 и 8 международные научно-
практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких
технологий в промышленности», 2009, Санкт-Петербург; XII, XIII, XIV Санкт-
Петербургская международная конференция «Региональная информатика», 2010,
2012,2014, Санкт-Петербург; XI международная научная конференция,
посвященная 70-летию профессора В.П. Дьяконова «Системы компьютерной
математики и их приложения», 2010, Смоленск, СмолГУ; I, III Межвузовская
научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные
тенденции и перспективы развития водного транспорта России», 2010 год,
Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК; Российская летняя школа
«Математическое моделирование фундаментальных объектов и явлений в
системах компьютерной математики» 2010 г., Казань-Яльчик; Международная
научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2012»; Международная научно-практическая конференция «Информационные управляющие системы и технологии» (ИУСТ-ОДЕССА-2013); Международная конференция «Стратегия развития внутреннего водного транспорта» - Санкт-Петербург - 2013; Межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2013)»; Конференция факультета информационных технологий ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала СО. Макарова»: «IT - ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА-2014» и другие конференции. А также в конкурсах: научно-исследовательских работ в области систем связи и информационной безопасности; лучших инновационных проектов в сфере науки и высшего профессионального образования Санкт-Петербурга; конкурсы на соискание премий Правительства Санкт-Петербурга в области научно-педагогической деятельности.
Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 106 научных и учебно-методических работах, в том числе в 5 монографиях, 28 публикациях из перечня изданий ВАК РФ, 5 учебных и учебно-методических работах, в трудах международных конференций и других изданиях. На 11 программных продуктов получены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 303 страницы состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных сокращений, списка использованных источников, включающего 223 наименований, приложений. Основное содержание работы изложено на 361 странице, включая 88 рисунков и графиков, 14 таблиц.
Определение объектов информатизации транспортной сферы как критически важных для национальной безопасности страны объекты
Классификация и методы противодействия угрозам хищения (разрушения, модификации) ОТИ и ТС как объектов информатизации, а также алгоритм оценки уязвимостей, приводящих к реализации указанных угроз, необходимых для своевременного обнаружения, предотвращения и устранения последствий реализации угроз, направленных на вывод из строя (остановку функционирования) ОТИ и ТС. За эту область отвечают решения задач обеспечения транспортной безопасности, которые отдельно рассмотрены в работе. Классификация отличается возможностью разделения угроз хищения (разрушения, модификации) ОТИ и ТС как объектов информатизации и дальнейшей разработкой методов противодействия и устранения последствий реализации угроз безопасности. Предложенная классификация позволяет рассматривать понятие защищенности дискретно, определяя соответствие превентивным и оперативным мероприятиям по обеспечению безопасности необходимому для данного объекта информатизации уровню.
С целью обеспечения безопасного и качественного функционирования объектов транспортно-складской инфраструктуры и разработки превентивных мер, направленных на уменьшение вероятности реализации угроз информационной и транспортной безопасности, в диссертационном исследовании сформулирована модель формирования наиболее безопасной, целесообразной и выгодной структуры размещения ОИ транспортной сферы (включая критически важные объекты) на основе учета априорно определяемых критериев, что позволяет заранее учитывать факторы, влияющие на информационную и транспортную безопасность в процессе существования и функционирования ОТИ.
С целью минимизации рисков транспортных операций, с учетом особен ной специфики водного транспорта, разработаны и предложены научно-обоснованные методы обеспечения безопасности функционирования ТС, основанные на математических моделях формирования рациональных планов размещения груза.
Для устранения последствий реализации угроз, направленных на физическую защищенность перевозящего груз ТС, разработана модель актуализации и восстановления недостающих данных по размещению груза, построенная для выполнения мероприятий по поддержанию целостности и достоверности сведений по эксплуатации судна, с целью обеспечения безопасности его работы, отличающаяся возможностью одновременного учета требований: - по судовой остойчивости, для обеспечения безопасной эксплуатации судна, - по более рациональному использованию ТС путем минимизации свобод ного места с учетом зон, необходимых для технологических процессов.
Общая модульная структура автоматизированной системы управления объектом транспортно-складской инфраструктуры в защищенном исполнении (ЗИ) необходима для наглядной демонстрации частного случая организации и функционирования структуры АСУ ОТИ ЗИ и отличается возможностью определения зон и мероприятий по обеспечению безопасности в зависимости от участка автоматизации.
Теоретической основой проводимых исследований являлись методы обеспечения информационной безопасности, системного анализа, теории алгоритмов, математического анализа, математической логики, теории вероятностей, методы математического моделирования, математический аппарат оптимизации, эвристические методы решения оптимизационных задач, в частности, генетические алгоритмы, теория автоматического и автоматизированного управления.
Научная новизна диссертации заключается в том, что решена актуальная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, методологическое, экспериментальное и ин формационно-технологическое обоснование и решение задач сформулированной проблемы в области комплексного обеспечения транспортной отрасли необходимыми методами, механизмами и средствами управления процессом обеспечения информационной безопасности АСУ ОТИ.
Значимость научных результатов заключается во вкладе автора в развитие научных основ построения безопасных автоматизированных информационных систем на транспорте, в разработке принципиально новых методов и моделей обеспечения информационной безопасности объектов транспортной инфраструктуры как объектов информатизации, рассматривая её как основу для взаимосвязи и взаимодействия всех транспортных процессов, с использованием современных инфокоммуникационных технологий.
Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и результатов диссертационного исследования заключается в корректном использовании известных методов обеспечения безопасности объектов информатизации, методов анализа и синтеза систем, последовательной системности разработанных методов и моделей, подтвержденных результатами проведенных экспериментов; согласованностью полученных результатов, исходных данных и предпосылок проведения исследования; гармоничной взаимообусловленной согласованности всех структур и частей исследуемого объекта и гармоничности их общего синергетического эффекта.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в разработке на основе предложенных методов, моделей и алгоритмических структур конкретных программных продуктов, на которые получены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.
Безопасность функционирования объектов транспортной инфраструктуры
Технология MPLS основана на обработке заголовка, добавляемого к каждому пакету данных. Заголовок MPLS состоит из одной или нескольких меток. В маршрутизаторе MPLS пакет с меткой коммутируется на следующий порт согласно таблице коммутации без использования поиска маршрута в таблице маршрутизации как в ІР-сетях. Маршрутизаторы LSR (Label Switching Router) не анализируют заголовок сетевого уровня. Решение о передаче пакета следующему маршрутизатору принимается только на основании сравнения значения метки с заранее подготовленной таблицей коммутации. При этом обработка меток происходит быстрее поиска маршрутов, так как может быть выполнена без использования центрального процессора маршрутизатора. Архитектуру сети обеспечивают маршрутизаторы, коммутирующие пакеты на основе метки LSR. На входе или выходе из сетей MPLS расположены пограничные маршрутизаторы LER (Label Edge Router). Эти маршрутизаторы добавляют метку к пакету при его входе в сеть MPLS и удаляют ее при выходе пакета из сети. Таким образом, сеть можно назвать двухуровневой. Сеть состоит из опорной сети (ядра) и пограничных частей сети. Архитектура сети MPLS представлена на рис. 1.6.
Пограничные маршрутизаторы LER присваивают метки пакетам, которые определяют классы эквивалентности пересылки FEC {Forwarding Equivalence Class). Метки однозначно определяют FEC, то есть пакеты с одинаковыми метками передаются в одном и том же направлении.
Пользовательские данные передаются между пограничными маршрутизаторами MPLS, для которой необходимо определить оптимальные маршруты передачи данных. Следует заметить, что для нахождения оптимальных маршрутов необходимо одновременно учитывать множество параметров трафика. Поэтому задача поиска оптимальных маршрутов может быть сформулирована как задача многокритериальной оптимизации.
На рисунке 1.6 в качестве примера задачи маршрутизации приведена сеть, состоящая из пяти маршрутизаторов LSR и четырех пограничных маршрутизаторов LER. Задача состоит в обеспечении передачи пользовательских и служебных данных между пограничными маршрутизаторами LER при минимальном количестве используемых маршрутов и стоимости передачи данных, а также повышении качества связи, сбалансированности сетевой нагрузки и снижении вероятности потери данных.
Понятие стоимости передачи данных может иметь различный смысл в зависимости от поставленной задачи и требований к сети. Так, стоимостью может быть как сумма в денежных единицах, так и время передачи пакета по сети. Поэтому понятие «снижение стоимости» может варьироваться по смыслу и не всегда имеет тривиальный характер достижения критерия. Рисунок. 1.6. Архитектура сети MPLS
Сеть должна быть сбалансирована и иметь минимальное число маршрутов. Сбалансированность позволит равномерно нагрузить все сегменты сети и обеспечить максимальную эффективность каждого из них. Небольшое число маршрутов позволит не делить трафик на много мелких составляющих и передавать его преимущественно по одинаковым маршрутам.
Для постановки задачи представим сеть MPLS как неориентированный граф G(V,E), где множество вершин V соответствует маршрутизаторам, а множество ребер Е - сегментам сети. Определим множество Vl с: V, которое содержит вершины, соответствующие пограничным маршрутизаторам. На рис. 1.7. представлен неориентированный граф сети МСТО, изображенной на рис. 1.6.
Для формулировки задачи передачи данных в сети МСТО необходимы следующие исходные данные: неориентированный граф сети G(V,E), множество вершин V\, множество взаимодействующих вершин R, пропускные способности ребер w графа G(V,E), требования к пропускной способности Ъ и множество маршрутов L между взаимодействующими вершинами. Обозначим через L( ,/) МОЩНОСТЬ множества L(s,t). Следующие отношения должны выполняться согласно постановке задачи: L(5,0
Данная модель позволяет сформулировать однокритериальные задачи, согласно сформулированным выше принципам построения сетей МСТО. При введении дополнительных параметров, можно расширить модель и покрыть большее число критериев. Так, например, при известной стоимости передачи единицы потока по ребру с(х, у) можно определить стоимость передачи единицы потока по і-шу маршруту в виде:
Дальнейшее развитие модели позволит сформулировать большое число однокритериальных задач, таких как балансировка нагрузки в сети, минимизация числа маршрутов, минимизация задержек и прочие. Также возможна постановка многокритериальной задачи, например, задачи маршрутизации трафика. 1.8.2. Оценка стоимости и экономической эффективности проекта
Первая категория оборудования должна иметь возможность ставить метки LSR. Как правило, это маршрутизаторы или коммутаторы 3-го уровня. В случае, если сеть не требует дополнительной защиты данных и сегментации каналов передачи, можно использовать оборудование фирмы D-Link, например, управляемый коммутатор 3-го уровня = DES-3326SR стоимостью от 20 тыс. р. Если же архитектура сети подразумевает более гибкую управляемую систему ветвления с многочисленной сегментацией, дополнительную защиту и ограничение доступа между пользователями, то необходимо приобретать более дорогостоящее оборудование, например, Cisco Catalyst 3550-24 (фирмы Cisco Systems, Inc., США) стоимостью от 130 тыс. р.
Оборудование второй категории также имеет различные варианты приобретения в зависимости от требований к не пропускной способности и других требований QoS. Стоимость оборудования данной категории - от 50 тыс. руб. В ряде случаев можно использовать услуги провайдеров по построению MPLS-сети на основе их оборудования и линий связи, но в этом случае имеют место риски, зависящие от организационных и финансовых взаимоотношений с провайдером, а также риски снижения скорости передачи данных из-за большого числа клиентов.
Относительно оборудования третьей категории следует отметить, что стоимость линий связи весьма различна и зависит от специфики конкретной локально обособленной области пространства МСТО.
Построение экспертной системы оценивания
Как уже было сказано выше, для определения большинства критериев, влияющих на размещение и безопасность объектов ТСИ необходимо использовать метод экспертных оценок.
Работы организационного характера, связанные с применением экспертного оценивания начинаются с разработки руководящего документа - плана, в котором формулируются цель работы и основные положения по ее выполнению. В этом документе должны быть отражены следующие основные вопросы: описание проблемы, обоснование необходимости проведения экспертной оценки, цели и задачи экспертизы, сроки выполнения работ, задачи и состав группы управления, финансовое и материальное обеспечение работ.
Группа управления определяет структуру экспертизы и осуществляет отбор экспертной группы. Следующим этапом работы группы управления является определение ме 103 тодики обработки данных опроса. В процессе непосредственного проведения опроса экспертов и обработки его результатов группа управления осуществляет выполнение комплекса работ в соответствии с разработанным планом, корректируя его по мере необходимости. Проведение экспертной оценки завершается оформлением полученных результатов. При организации экспертного опроса большое внимание следует уделить надежности получаемой от эксперта информации.
Процедура отбора специалистов в группы экспертов включает три этапа: определение количества экспертов, составление списка экспертов, получение согласия экспертов на участие в работе.
Для определения количества экспертов члены группы управления выявляют области знаний, связанные с решаемой проблемой.
Достоверность экспертизы зависит от количества экспертов в группе, долевого состава различных специалистов в группе, компетентности экспертов. Для проблем с высоким уровнем информационного потенциала знаний увеличение количества экспертов в группе приводит к монотонному возрастанию достоверности экспертизы. Опыт практического применения экспертной процедуры показывает, что достоверность экспертизы есть монотонно возрастающая функция средней групповой оценки компетентности.
Рассмотрим основные характеристики экспертов: компетентность, креативность, отношение к экспертизе, конформизм, аналитичность и широта мышления, коллективизм, самокритичность и др.
Компетентность будем рассматривать как степень квалификации эксперта в определенной области знаний. Так как компетентность - сложное свойство эксперта, ее измерение может быть осуществлено только людьми.
Для осуществления оценки этой характеристики эксперта введем числовой где ки - коэффициент информированности, полученный на основе самооценки (по балльной шкале); ка - коэффициент аргументации, получаемый в результате суммирования баллов по эталонной таблице.
Существуют и другие методики, в которых оценка компетентности конкретно взятого эксперта оценивается по результатам опроса других экспертов [95]. Проводя несколько туров такого опроса, можно составить достаточно полный список кандидатов в эксперты. По результатам проведенного опроса составляется квадратная матрица (таблица 3.2.).
По приведенной таблице можно вычислить относительные коэффициенты компетентности экспертов, например, используя алгоритм решения задачи о лидере. Для каждого эксперта относительные коэффициенты компетентности /-го порядка определяются по формуле:
Основной принцип формирования коэффициентов компетентности состоит в следующем: количество голосов, поданных за /-го эксперта, делится на общую сумму всех голосов. Определим коэффициент компетентности второго порядка как относительное количество голосов, взвешенных коэффициентами компетентности первого порядка. Используя формулы 2.19 и 2.21, получим следующую формулу, для нахождения коэффициентов компетентности второго порядка:
Часть характеристик эксперта, как правило, является положительной, а часть - отрицательной. В связи с этим возникает задача согласовании характеристик между собой. Для этого необходимо сформулировать какую-то обобщен 106 ную характеристику эксперта, учитывающую его важнейшие качества, с одной стороны, и допускающую непосредственное измерение, с другой стороны. В качестве такой характеристики можно принять достоверность суждений эксперта, которая определяет эксперта как «измерительный прибор». Однако применение такой обобщенной характеристики требует информации о прошлом опыте участия эксперта в решении проблем. Такая информация не всегда имеется. Количественно достоверность эксперта оценивают по формуле:
Опрос - главный этап совместной работы группы управления и экспертов. Основным содержанием опроса являются:
Постановка задачи и предъявление вопросов экспертам; -Информационное обеспечение работы экспертов; -Выработкаэкспертами суждений, оценок, предложений; - Сбор результатов работы экспертов.
Главным в организации опроса является обеспечение максимума информации и творческой активности, самостоятельности эксперта. Вопросы должны быть сформулированы так, чтобы ответы на них были однозначными. В случае, когда ответы экспертов даются в письменном виде, необходимо в вопросниках привести примеры ответа и заполнения предложенных таблиц.
В зависимости от сложности и изученности исследуемой проблемы ответы экспертов могут быть представлены в виде количественной оценки или в словесной форме (качественная информация). Используемые термины в опросных картах, формы таблиц и т.п., желательно предварительно обсудить с экспертами.
Рациональное использование информации, получаемой от экспертов, возможно после образования ее в форму, удобную для дальнейшего анализа, направленного на подготовку и принятия решений. В зависимости от характеристик собранной информации, специфических особенностей исследуемого объекта, уровня принятия решений разработаны различные методы преобразования, т.е. обработки экспертной информации. Основной целью такой обработки является получение обобщенных данных и выявление новой информации, содержащейся в скрытой форме в экспертных оценках. На основе результатов обработки формируется решение проблемы.
Наличие как числовых данных, так и содержательных высказываний экспертов приводит к необходимости применения количественных и качественных методов обработки результатов экспертного оценивания.
Для обработки результатов группового экспертного оценивания проблемы, для решения которой имеется необходимый информационный потенциал (достаточный уровень знаний и опыта), можно применять методы математической статистики, основанные на усреднении данных.
Алгоритмическое и информационное обеспечение процесса рационализации размещения груза на транспортных объектах
Земснаряды в процессе разработки прорезей постоянно меняют свое местоположение, продвигаясь по траншее вперед или перемещаясь поперек прорези, папильонируя от кромки к кромке. Перемещаются земснаряды с траншеи на траншею и с серии на серию. Чтобы эти перемещения были правильны и земснаряд извлекал грунт со дна водоема, там, где это нужно, не допуская пропуска неразработанных участков прорези, необходимы специальные системы ориентации и позиционирования, позволяющие определять, где находится земснаряд в данное время.
В практике дноуглубления ориентация земснарядов на реке при разработке прорезей осуществляется визуально или при помощи радиотехнических, гидроакустических и оптических систем. Визуальная ориентация земснаряда (Рис.4.1) на прорези по продольным и поперечным створам допускает ошибки в процессе рабочих перемещений, что приводит к их повторению и, в конечном счете, к снижению производительности, качества дноуглубления и экономичности работы земснаряда [32]. Исходя из этого, в настоящее время имеющийся давно известный метод ориентации уже не отвечает потребностям производства дноуглубительных работ.
В результате существенного ускорения научно-технического прогресса во второй половине XX века, применение в практике дноуглубительных работ на реках нашли радиотехнические средства ориентации, например, разработанная в Новосибирском институте инженеров водного транспорта гиперболическая система «Автоствор». Структурная схема радиофазовой системы ориентации земснаряда «Автоствор» представлена на Рис. 4.2.
Система ориентации земснаряда «Автоствор»: а - структурная схема; б - схема измерения расстояний 1\ и /2; 1 - ведущая радиостанция; 2 - отражающая радиостанция; 3 - радиоприемник; 4 - цифровой индикатор; 5 и 6 - боковые лебедки На берегах или на плавучих средствах на линии поперечных створов устанавливается ведущая (задающая) и отражающая радиостанции. Ведущая радиостанция непрерывно излучает колебания с определенной частотой/ь Отражающая станция принимает эти сигналы, преобразует их и выдает колебания с другой частотой/?. Частоты/і и/2 должны быть обязательно взаимосвязаны. На земснаряде сигналы береговых станций принимаются антенной, установленной над грунтоприемным устройством земснаряда на специальной мачте. С антенны сигналы поступают на вход двухканального радиоприемника, в котором осуществляется их фильтрация и усиление. В фазоиндикаторе разность фаз сравниваемых напряжений преобразуется в напряжение, управляющее индикаторными устройствами и приводами оперативных лебедок.
В настоящее время эксплуатируются две системы; гиперболическая «Автоствор-1» (с одной сеткой линии положения земснаряда) и эллипсо-гиперболическая «Автоствор-2» (с двумя взаимно пересекающимися сетками линий положений земснаряда). В первой системе радиофазовым методом измеряется разность расстояний от снаряда до береговых радиостанций. При этой системе земснаряд перемещается по гиперболическим траекториям. В системе «Автоствор-2» измеряется приращение расстояний от земснаряда до двух фиксированных точек, в которых устанавливаются две отражающие (ведомые) радиостанции. Местоположение земснаряда определяется по точке пересечения эллиптической (сумма расстояний) и гиперболической (разность расстояний) линий положения. Эллипс и гипербола, имеющие общие фокусы, в любой точке пересекаются под прямым углом. Благодаря этому с помощью эллипсо-гиперболической системы достигается высокая точность в определении местоположения земснаряда. Земснаряд в процессе работы должен перемещаться так, чтобы с помощью корректирующего блока системы поддерживалось постоянное значение координаты положения землесоса от некоторой оси, проведенной параллельно оси прорези через середину базовой линии, которая соединяет ведущую и отражающую радиостанции. Местоположение земснаряда на прорези вычисляют по результатам измерения двух расстояний следующим образом. По известным расстояниям до радиостанций 1\ и lj и базовому расстоянию между этими радиостанциями 2с с помощью ЭВМ вычисляются координаты земснаряда в системе координат х и у. Как можно видеть из Рис. 4.3.
По формулам (4.2) и (4.3) вычисляют текущие координаты местоположения грунтоприемника земснаряда. Для удобства построения траектории перемещения земснаряда и упрощения управления боковыми лебедками производится поворот координационных осей так, чтобы новая ось абсцисс х1 была перпендикулярна оси прорези, а ось ординат у параллельна ей. Координаты грунтоприемника земснаряда в новой системе координат вычисляются по следующим формулам:
Угол p считается положительным при повороте координатных осей против часовой стрелки; 6х и Sy - катеты прямоугольника в расчетной схеме, приведенной на Рис. 4.3.
Вычисленные по формулам (4.4) и (4.5) текущие координаты сравнивают с заданными хзал и _узад и вычисляют их разность: Л = хззд - ; Ду = узад - у Двоичные коды Дх и Ду выводятся на индикаторы отклонения, смонтированные на панели блока управления, на которых можно определить размеры и знак отклонения земснаряда от заданных координат. Кроме того, код, пропорциональный Дж, подается на цифроаналоговый преобразователь блока управления и далее на схему управления током двигателя правой или левой боковой лебедки.
Таким образом, действие системы ориентации согласуется с работой боковых лебедок, осуществляющих рабочие перемещения земснаряда. При отклонении последнего от оси траншеи индикатор выдает сигнал на включение лебедок для восстановления заданного положения грунтоприемного устройства. Для зрительного контроля за местоположением грунтоприемного устройства в систему «Автоствор» обеих модификаций, т.е. I и II, включен цифровой индикатор, который показывает размеры смещения с оси траншеи и номер траншеи.
Система «Автоствор» определяет местоположение земснаряда с точностью ±1 м. Суммарная ошибка перехода с одной траншеи на другую не превышает 1м на 10 траншей. На работу системы практически не влияют погодные условия, рельеф и электрические характеристики местности, а также проходящие суда.
Гидроакустические системы ориентации (лаги) применяют на самоотвоз 190 ных земснарядах. Лаги позволяют быстро и точно устанавливать даже малую скорость перемещения земснаряда относительно дна. Работа гидроакустических систем ориентации основана на эффекте Доплера, который заключается в том, что для неподвижного наблюдателя частота излучения источника увеличивается при его приближении и уменьшается при удалении. Изменение частоты импульса источника является прямой мерой скорости его движения. Система состоит из блока преобразователя и цифровой электронной вычислительной машины, связанной с электронным блоком индикатора. От пьезоэлектрического преобразователя (вибратора и усилителя) ультразвуковые импульсы направляются в воду ко дну под углом 30 к вертикали в сторону носа, кормы и обоих бортов. Посланный импульс-узкий луч (2-6)-отражается от дна и принимается тем же кристаллом, который его послал. Частота ультразвукового импульса изменяется при переходе от движущегося источника-преобразователя в воду и обратно. В преобразователе импульс усиливается и посылается в блок индикатора ЭВМ. Скорость движущегося судна определяют по разности частот посланного отраженною импульсов. Гидроакустическая система ориентации обеспечивает эффективный грунтозабор, регулируя скорость движения земснаряда при точном поддержании заданного курса.
Система ориентации «Радиус» основана на совместном использовании гидроакустического и радиотехнического методов измерения расстояния.
В соответствии с принципом действия этой системы, перемещение земснаряда происходит не по прямым траншеям прорези, а по дугообразным с радиусом R от оси данной траншеи до буя Б. Отклонение текущего значения R от заданного (для конкретной траншеи) служит сигналом для корректирующих управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый характер достижения земснаряда. Расстояние измеряют по времени распространения ультразвука в воде от гидроакустического излучателя, размещенного на земснаряде, до приемника на буе, координаты местоположения которого заданы. Обратная связь осуществляется при помощи ультракоротковолновой радиостанции, смонтированной на буе, сигналы которой принимаются на земснаряде. Расположение земснаряда и буя на акватории изображено на рис.4.46.
Система включает в себя следующие аппаратные средства на борту ДС: ГИ - гидроакустический излучатель; БП - блок посылок; СВ - счетчик времени; РПр - радиоприемник; ИП - источник питания. На буе установлены: ПУ - приемное гидроакустическое устройство; У - усилитель; РП - радиопередатчик; ИП - источник питания. Блок-схема представлена на Рис. 3.4а.
Работа системы происходит циклически. В начале каждого цикла блок посылок одновременно включает гидроакустический излучатель и счетчик времени. При этом источник гидроакустического сигнала, закрепленный на подводной части земснаряда, формирует ультразвуковой импульс (УЗИ), который со скоростью около 1500 м/с распространяется в воде и улавливается приемным устройством на буе через время t =R/Uy3H, где Uy3H - скорость прохождения УЗИ. Одновременно счетчик времени начинает отсчет этого временного интервала, который заканчивается, когда радиопередатчик буя включается пришедшим через У импульсом гидроакустического сигнала и передает короткий сигнал-команду на выключение счетчика времени через радиоприемник на земснаряд. На цифровом табло счетчика времени высвечивается значение времени, пропорциональное R. Радиопередатчик на буе для передачи радиосигнала, включается на короткое время (0,001 с). Цикл повторяется через каждые 5 - 7 с.