Разработка и реализация методов имитационного моделирования программно-аппаратных средств управления комплексами безопасности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Черепанов, Евгений Олегович

• Черепанов, Евгений Олегович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черепанов, Евгений Олегович

Аннотация

Оглавление

Введение

Глава 1. Постановка задачи и обзор систем управления комплексом безопасности

1.1 Цель и постановка задачи

1.1.1 Формулировка проблем

1.1.2 Цель

1.1.3 Постановка задач

1.1.4 Требования, предъявляемые к решаемым задачам

1.2 Архитектура оборудования комплекса безопасности

1.3 Системы управления комплексом безопасности ОАО Тензор

1.3.1 Аппаратные решения задач контроля и управления

1.3.2 Программные решения задач контроля и управления

1.3.3 Комплексные решения задач контроля и управления

1.4 Обзор и анализ существующих систем управления комплексами безопасности

1.4.1 Системы безопасности компании Алгонт

1.4.2 Системы безопасности компании Альфа-Прибор

1.4.3 Системы безопасности компании Безопасность

1.4.4 Анализ программных продуктов

1.4.5 Выводы

1.5 Анализ и классификация имитационных систем

1.5.1 Задачи и функции имитационных систем

1.5.2 Классификация ИмС и их функциональные особенности

1.5.3. Этапы жизненного цикла ПО комплекса безопасности

1.5.4 Применение имитационных систем

Глава 2. Разработка и обоснование методов имитационного моделирования

2.1 Разработка модели программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности

2.1.1 Общее описание структуры модели

2.1.2 Построение нижнего уровня модели

2.1.3 Построение среднего уровня модели

2.1.4 Построение верхнего уровня модели

2.2 Разработка единых методов имитации оборудования различного функционального назначения

2.3 Разработка методов интеграции имитационных модулей

2.4 Разработка методов размещения имитационного комплекса

2.4.1 Размещение имитационного комплекса на аппаратном уровне

2.4.2 Размещение имитационного комплекса на серверном уровне

2.4.3 Размещение имитационного комплекса на клиентском уровне

2.4.4 Методы распределенного размещения имитационных средств

2.4.5 Метод дистанционного переключения каналов данных

2.4.6 Методы обеспечения безопасности распределенного размещения имитационных средств

2.5 Разработка структур данных и интерфейсов

2.5.1 Структура данных имитации аппаратных средств

2.5.2 Универсальный интерфейс обмена с оборудованием

2.6 Методы тестирования с применением имитационного моделирования

2.6.1 Модульное тестирование

2.6.2 Комплексное тестирование

2.7 Методы испытаний с применением имитационного моделирования

2.7.1 Цели и задачи испытаний

2.7.2 Алгоритмы генерации событий при испытании программного обеспечения

2.7.3 Средства статистического анализа процесса обмена

Глава 3. Реализация разработанных методов

3.1 Выбор технологического средства разработки

3.1.1 Системы быстрой разработки

3.1.2 Аргументация выбора RAD

3.2 Разработка программного обеспечения

3.2.1 Описание имитационных систем различного функционального назначения

3.2.2 Описание интегрированного имитационного комплекса

3.2.3 Описание средств настройки и конфигурирования интегрированного имитационного комплекса

3.2.4 Распределенное размещение имитационного комплекса

Глава 4. Результаты работы и их анализ

4.1 Основные результаты

4.2 Научная новизна

4.3 Практическая значимость результатов

4.4 Испытания и эксперименты

4.4.1 Стендовые испытания с применением имитационных систем

4.4.2 Испытания программных средств с использованием реального оборудования

4.4.3 Результаты экспериментов, проведенных на объектах

4.2.4 Обучение и контроль действий персонала

4.4 Апробация работы

4.5 Дальнейшее развитие и перспективы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация методов имитационного моделирования программно-аппаратных средств управления комплексами безопасности»

Актуальность темы исследований

В связи с возрастающей с каждым годом опасностью техногенных катастроф и террористических актов эффективные и надежные системы безопасности особо важных объектов становятся все более востребованными в РФ. Под особо важными объектами в данной работе подразумеваются градообразующие предприятия, атомные станции, оборонные комплексы и иные объекты, обладающие значительными площадями внутренних помещений и большими территориями, подлежащими особому контролю. Для обеспечения безопасности подобных объектов требуется применение нескольких систем различного функционального назначения — охранных, пожарных, видеонаблюдения, контроля и управления доступом и т.д. Основная задача таких систем — предотвращение противоправных действий, направленных против охраняемого объекта, и обеспечение экологической безопасности прилегающих к нему территорий.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к интеграции перечисленных систем безопасности различного назначения в единые комплексы — интегрированные комплексы безопасности [4]. Развитие информационных технологий позволило повысить степень автоматизации систем управления комплексами безопасности и обеспечило качественно новые возможности при интеграции их подсистем. Основная нагрузка при решении задач автоматизации возлагается на разработчиков программного обеспечения систем управления комплексами безопасности.

Системы управления интегрированных комплексов безопасности обладают сложной архитектурой, состоящей из множества элементов и связей между ними. Структуру элементов можно условно разделить по функциональному назначению на три основных уровня. Нижний уровень — уровень сбора и первичной обработки информации, средний уровень — хранения и структурирования данных по определенной подсистеме комплекса, верхний — обработки и представления информации по всем подсистемам комплекса. Основная часть элементов, образующих перечисленные уровни — это различные программно-аппаратные средства сбора и обработки информации, представляющие собой значительные объемы сложного дорогостоящего оборудования. Окончательное формирование и монтаж всех трех уровней производится непосредственно на объекте контроля, но к этому моменту должны быть уже завершены разработка, отладка и испытания программного обеспечения системы управления комплексом безопасности. Ввиду невозможности использования большей части элементов реального оборудования для отладки и тестирования программного обеспечения, возникает задача разработки комплекса имитационных систем, позволяющих моделировать [16] сигналы реальных программно-аппаратных средств сбора и обработки информации, генерировать события и адекватно реагировать на управляющие воздействия.

Проведенный в рамках диссертационной работы анализ программных продуктов, производимых ведущими разработчиками комплексов безопасности в РФ, выявил отсутствие в их составе единых средств имитационного моделирования систем безопасности. Наиболее ощутимо потребность в использовании единых имитационных систем ощущается на этапе комплексных испытаний оборудования систем безопасности и при обучении обслуживающего персонала. Это обусловило необходимость разработки собственного единого комплекса имитационных систем.

Применение комплекса имитационных систем значительно ускоряет процессы пуско-наладки оборудования, обеспечивает возможность параллельной разработки элементов системы и проведения их автономного тестирование до окончательной сборки [15]. При испытании контролирующего оборудования и программного обеспечения, имитационные системы позволяют создавать гораздо более жесткие условия эксплуатации, путем увеличения интенсивности потоков информации, а также генерации различных исключительных ситуаций, что дает возможность определить запас устойчивости и производительность элементов комплекса безопасности. Также очевидны преимущества имитационных систем в учебном процессе, при подготовке обслуживающего персонала и операторов комплекса безопасности. В этом случае использование имитационных средств вместо реальных элементов комплекса позволяет проводить одновременные тренировки нескольких человек и обеспечивает более безопасные условия.

Разработка отдельных специализированных имитационных систем для каждого типа и класса оборудования целесообразна только на первоначальном этапе тестирования и отладки функциональных модулей комплекса безопасности. Однако при окончательной сборке и монтаже всех подсистем комплекса, возникают задачи полномасштабной имитации оборудования для проведения испытаний системы в целом и для обучения обслуживающего персонала комплекса безопасности. Для этих целей необходимо построить единую модель программно-аппаратных средств комплекса безопасности, выделить общие для всех типов оборудования элементы и определить их основные связи и функциональные особенности. На основе построенной модели провести интеграцию имитационных средств оборудования различного функционального назначения в единый имитационный комплекс и обеспечить его универсальность и возможность расширения. Решение данной задачи позволит повысить эффективность применения имитационных средств на окончательном этапе сборки, монтажа и пуско-наладки комплекса безопасности и откроет ряд ранее недоступных возможностей по использованию имитационных систем в целях обучения и контроля качества работы обслуживающего персонала в период эксплуатации комплекса.

Цель и задачи исследований

Целью исследований, проведенных в рамках данной работы, является разработка и реализация методов имитации оборудования различного функционального назначения, обеспечивающих повышение качества и эффективности тестирования, испытаний и эксплуатации программного обеспечения управления комплексом безопасности.

В соответствии с целью исследований перед автором были поставлены следующие задачи:

• провести системный анализ программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности, выделить основные ее элементы, их связи и отношения и на основе результатов анализа построить унифицированную модель программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности;

• разработать критерии отбора элементов программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности, требующих имитационного моделирования и на основе данных критериев выделить множество элементов, подлежащих имитации;

• разработать единый интегрированный комплекс имитационных систем, состоящий из унифицированных модулей имитации оборудования различного функционального назначения, основанный на построенной модели программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности.

Структура диссертации

Текст диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Черепанов, Евгений Олегович

4.1 Основные результаты

К результатам диссертационной работы следует отнести следующие положения:

• Проведен анализ программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности и предложены критерии отбора элементов системы, требующих имитационного моделирования.

• Построена универсальная масштабируемая модель программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности, обеспечившая интеграцию систем имитации охранного оборудования различного функционального назначения.

• Разработан единый интегрированный комплекс имитационных систем, в рамках которого реализованы алгоритмы генерации событий, обеспечившие проведение испытаний контролирующего оборудования и программного обеспечения в условиях предельных загрузок каналов данных, что дало возможность определить запас устойчивости и производительность системы контроля и управления комплексом безопасности.

• Разработан метод дистанционной замены реальных каналов данных имитационными без аппаратной перекоммутации, обеспечивший качественно новые возможности проверки квалификации и контроля работы обслуживающего персонала комплекса безопасности.

• На 40-50% ускорены процессы пуско-наладки программных модулей за счет обеспеченных разработанными имитационными средствами возможностей параллельной разработки элементов системы и их автономного тестирования до окончательной сборки комплекса безопасности.

• В 1,5 раза сокращено время обучения персонала комплекса безопасности и обеспечена безопасность проведения образовательного процесса в результате применения разработанного единого имитационного комплекса.

4.2 Научная новизна

Научная новизна результатов, полученных в рамках данной диссертационной работы, заключается в следующих положениях:

• предложена универсальная масштабируемая модель программно-аппаратных средств контроля систем безопасности, отличающаяся интеграцией систем имитации охранного оборудования различного функционального назначения;

• предложены методы проведения комплексных испытаний систем безопасности в условиях предельных загрузок каналов данных, основанные на разработанных алгоритмах генерации событий, обеспечившие повышение достоверности оценки надежности испытываемых систем;

• разработаны и впервые в данной области применены методы обучения и контроля качества работы персонала комплекса безопасности в условиях реального объекта на основе динамической замены физических каналов данных имитационными без применения аппаратной перекоммутации.

4.3 Практическая значимость результатов

Практическая значимость проведенных исследований и разработанных программных средств определяется следующими положениями:

• применение созданных имитационных модулей обеспечило возможность параллельной разработки элементов системы и их автономного тестирования до окончательной сборки комплекса безопасности;

• интеграция модулей имитации подсистем комплекса различного функционального назначения позволила сократить объемы оборудования, предназначенного для взаимодействия оператора и систем имитации на этапе окончательной сборки и эксплуатации комплекса безопасности;

• разработанные методы проведения обучения и обеспечения контроля качества работы персонала, примененные в комплексах безопасности особо важных объектов, могут использоваться в аналогичных целях на объектах иного значения.

4.4 Испытания и эксперименты

4.4.1 Стендовые испытания с применением имитационных систем

Перед вводом в эксплуатацию программного обеспечения комплекса безопасности проводится ряд испытаний с тем, чтобы установить основные показатели качества работы системы [ПР 50.2.009-94 «ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений»]. Для определения отказоустойчивости и безошибочности функционирования программного обеспечения и каналов связи необходимы длительные испытания. Однако длительность испытаний сокращена за счет искусственного ужесточения условий испытания, в результате применения описанных выше алгоритмов генерации событий. До разработки комплекса программных имитаторов это было не возможно. Имея же, описанные выше имитационные системы, стендовые испытания с их применением становятся более эффективными, при этом значительно сокращается время, затрачиваемое на этом этапе испытаний.

4.4.2 Испытания программных средств с использованием реального оборудования

При подключении программного обеспечения комплекса безопасности к реальному оборудованию оценивается в основном качество и эффективность работы аппаратных средств и коммуникационных каналов. Проводятся испытания на общую скорость реакции системы, проверяется работа систем в аварийных режимах — при обрыве части информационных каналов или при переходе на резервное питание.

Все эти эксперименты также требуют применения имитационных систем, причем, обладающих способностью дистанционного переключения каналов данных без применения аппаратной перекоммутации. Это необходимо для обеспечения возможности параллельного анализа работы программного обеспечения с имитационными системами и с реальным оборудованием, а также для оперативного выделения неисправностей в случае их возникновения.

4.4.3 Результаты экспериментов, проведенных на объектах

При проведении экспериментов на объектах в основном оценивались характерные времена, затрачиваемые персоналом на те или иные действия с программным средствами имитации (ПСИ). Затем эти времена сравнивались с аналогичными значениями, полученными при работе с аппаратными средствами генерации событий — стендами проверки приборов (СПП) серии «Кристалл 2С» (эксперимент проводился с использованием 24-х СПП расположенных в одном помещении).

Время, необходимое оператору на указанное действие (с.)

Действие ПСИ СПП

Генерация определенного события на одном секторе 1 1

Генерация определенного события на 10 определенных секторах 5 26

Генерация определенного события на всех (24) секторах 3 38

Сброс всех тревожных значений на одном секторе 1 12

Сброс всех тревожных значений на 10 определенных секторах 5 94

Сброс всех тревожных значений на всех (24) секторах 3 142

Запуск автоматической генерации событий на одном секторе 2 нет

Результаты эксперимента показали, что при увеличении объемов имитируемого оборудования, растет эффективность применения программных средств имитации для генерации событий в комплексах безопасности.

4.2.4 Обучение и контроль действий персонала

Основная задача при обучении персонала заключается в оперативной передаче навыков в работе с системой и обеспечение дальнейшей ее работы без привлечения разработчиков [ГОСТ 24.602-86 «Автоматизированные системы управления. Обучение персонала»]. Процесс обучения может вестись различными методами, но как показал опыт — наиболее эффективны практические тренировки. Зачастую обучение приходится проводить непосредственно во время установки систем безопасности на объекте, используя при этом сигналы с реальных датчиков и систем контроля, находящихся на боевом дежурстве. Для избежания этого, а также для повышения эффективности обучения, применяются разработанные системы имитации с Принципом дистанционного переключения каналов, управляемые с отдельного клиентского рабочего места.

Помимо повышения безопасности работы всех систем на объекте во время обучения, возникла возможность проводить оценку действий персонала с системами комплекса в режимах псевдо тревог и при моделировании внештатных ситуаций. В результате применения описанных выше методов, время обучения удалось сократить в 1,5 раза без снижения качественных показателей, при этом появились качественно новые, недоступные ранее, средства контроля исполнения обязанностей персонала во время дежурства.

4.4 Апробация работы

Положения и результаты диссертационной работы были доложены на семинарах кафедры системного анализа и управления Международного университета «Дубна» и на конференциях, проводимых университетом «Дубна», УНЦ ОИЯИ и РАО ЕЭС [34, 36, 37,38,39].

Результаты проведенных исследований и созданные методики опробованы и успешно применяются при разработке программного обеспечения управления системами безопасности, производимыми ОАО «Приборный завод Тензор» в городе Дубна.

Разработанное программное обеспечение установлено и функционирует в составе систем контроля комплексов безопасности более 30-ти особо важных объектов. При этом решаются задачи как обеспечения собственной безопасности объектов, так и прилегающих к ним территорий.

Методики имитации событий положительным образом зарекомендовали себя при обучении обслуживающего персонала комплексов безопасности и активно используются в учебно-испытательных целях.

4.5 Дальнейшее развитие и перспективы

В планах ближайшего развития программного обеспечения имитационных систем стоит вопрос о переносе разработанных методик и алгоритмов на другие платформы, такие как Linux и QNX. С этой целью проводится ряд модернизаций, к примеру, разработка и апробация СогЬа сервера взамен ОРС, а также перенос компонент и программного кода в систему быстрой разработки Borland Kylix, работающей под Linux.

Также планируется расширение гаммы поддерживаемого оборудования и развитие методик коммуникации. В одном из последних проектов связь с оборудованием осуществляется не только посредством ЯБ 232/485, но и с помощью ЛВС на базе оптических технологий передачи данных.

Заключение

В заключение следует указать основные результаты, достигнутые в диссертационной работе.

В результате анализа методов контроля и управления, реализуемых в комплексах безопасности, описанного в первой главе, определены основные проблемы, возникающие при разработке, тестировании и эксплуатации программного обеспечения систем контроля комплекса безопасности. Установлено, что основной причиной возникновения данных проблем является отсутствие единого многофункционального комплекса имитационных средств.

Проведенный анализ программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности позволил построить ее модель и выделить элементы, программная имитация которых целесообразна для решения поставленных задач.

Построенная модель программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности, описанная во второй главе, обеспечила разработку унифицированных имитационных средств и их последующую интеграцию в единый имитационный комплекс.

Алгоритмы генерации событий, реализованные в созданных имитационных средствах обеспечили возможность проведения испытаний программного обеспечения комплекса безопасности в условиях предельных загрузок каналов данных, что позволило значительно сократить длительность этапа испытаний.

Проведенная классификация имитационных систем позволила разработать методы размещения различных имитационных средств на уровнях программно-аппаратной архитектуры комплекса безопасности.

Метод распределенного размещения имитационного комплекса с применением дистанционного переключения каналов данных обеспечил качественно новые возможности проверки квалификации и контроля работы обслуживающего персонала комплекса безопасности.

Многофункциональность разработанного комплекса имитационных средств обеспечивает его применение на всех этапах жизненного цикла программного обеспечения комплекса безопасности.

В заключение следует отметить, что все поставленные задачи в рамках данной диссертационной работы успешно решены. А реализация разработанных методов и программных средств нашли применение в сфере обеспечения безопасности нескольких десятков особо важных объектов. Что подтверждает значимость и актуальность проведенных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черепанов, Евгений Олегович, 2004 год

1.ГейнК., Сарсон Т. Системный структурный анализ: средства и методы. М.: "Эйтекс", 1992.

2. Калянов Г.Н. Современные CASE-технологии. М.: ИГТУ, 1992.

3. Калянов Г.Н. Методы и средства системного структурного анализа и проектирования. М.: НИВЦ МГУ, 1996.

4. Оленин Ю. А. Проблемы комплексного обеспечения охранно-территориальной безопасности и физической защиты особо важных объектов Российской Федерации//Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. Вып.1. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2000. - С.8 - 50.

5. Абалмазов Э. И., Кротова М. Э. Декомпозиция и композиция систем безопасности// Системы безопасности, связи и телекоммуникаций. 1995. - № 6. - С. 19-21.

6. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Математическое моделирование систем физической защиты// БДИ. 2000. - №1. - С. 10 - 13.

7. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Система охраны периметра: приоритеты и компромиссы// БДИ. 2000. - №2. - С.34 - 36.

8. Белоусов Е. Ф., Гордин Г. Т., Ульянов В. Ф. Основы систем безопасности объектов. Пенза: Изд-во ПГУ, 2000. - 98с.

9. Волхонский В. В. Устройства охранной сигнализации. С-Пб.: Экономика и культура, 1999. - 311 с.

10. Тео Мандел Разработка пользовательского интерфейса. ДМК, 2001

11. The Windows User Expérience Officiai Guidelines for User Interface Developers and Designers © 2000 Microsoft Corporation

12. IJacobson. Object-Oriented Software Engineering. ASM press. 1992

13. Липаев B.B. Управление разработкой программных комплексов. M.: Финансы и статистика, 1993.

14. B.Selic, G.Gullekson, Р.Т. Ward. Real-îime Object-Oriented Modeling. John Wiley & Sons. Inc. 1994.

15. Ю. H. Павловский имитационные модели и системы M.: ФАЗИС, 2000

16. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. М.: Искусство и наука, 1978

17. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем -М.:Наука, 1977

18. Горский Ю. М. Системно-информационный анализ процессов управления. -Новосибирск: Наука, 1998. 326 с.

19. Денисов А. А. Введение в информационный анализ систем.— Л.: ЛПИ, 1988.

20. Г.Цойгнер "Учение о цвете", М.: Наука. 1971

21. Денисенков Н.М. Дионика. Моделирование экспертных групп выхода из кризисных ситуаций. СМиПЛ, 1998, № 5.

22. Урсул А.Д. Информация. Методологические аспекты. — М.: Наука, 1991.

23. Урсул А.Д. Отражение и информация. — М.: Мысль, 1983.

24. Е.Бенькович, Ю.Колесов, Ю.Сениченков. Практическое моделирование динамических систем. СПб: ВНУ, 2001.

25. Тейер Т., Липов М., Нельсон Э. Надежность программного обеспечения. М.: Мир, 1981.

26. Фоке Д. Программное обеспечение и его разработка. М.: Мир, 1985.

27. Интернет сайт компании «Альфа-прибор» http://alpha.tula.net/

28. Интернет сайт компании «Алгонт» http://www.algont.ru

29. Интернет сайт компании «Безопасность» http://www.bezopasnost.ru

30. Интернет сайт компании «Тензор» http://www.tenzor.dubna.ru