Исследование и разработка структур региональных сетей документальной электросвязи для условий чрезвычайных ситуаций

Актуальность темы

.

Возникновение чрезвычайных ситуаций (ЧС) в различных регионах страны, участившееся в последнее время, делает задачу по предупреждению и ликвидации последствий ЧС одной из важнейших задаче государства. С 1995 года в стране существует единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС, основными задачами которой, в частности, являются: обеспечение готовности к действиям органов управления, сил и средств, предназначенных для предупреждения и ликвидации ЧС и их эффективное функционированиесбор, обработка и выдача информации в области защиты населения и территорий от ЧС [53];

Выполнение поставленных задач зависит от своевременного получения сведений о ЧС и незамедлительного доведения директивной информации до органов управления, сил, участвующих в предупреждении и ликвидации последствий ЧС, субъектов хозяйствования, а также населения. Участившиеся в последнее время случаи возникновения ЧС затрагивают в подавляющем большинстве регионы страны, в связи с этим одной из важнейших задач, является обеспечение электросвязью отдельных регионов, подвергшихся воздействию разрушительных сил ЧС [39,54]. Особое значение в этих условиях придаётся обеспечению регионов документальной электросвязью (ДЭС) [2]. При этом, под регионом следует понимать территорию, являющуюся субъектом Российской Федерации (республику, край, область, округ).

Сеть документальной электросвязи, охватывающая территорию региона и выполняющая функции сети общего пользования, носит название региональной сети ДЭС (РСДЭС). В период действия ЧС РСДЭС испытывают воздействие двух противоположных факторов: воздействие на сеть разрушительных сил ЧС, приводящее к разрушению узлов и линий связи и препятствующее выполнению сетью своих функцийнеобходимость обеспечения устойчивой работы сети с требуемыми показателями качества в условиях резко увеличившейся нагрузки. Одновременное воздействие обоих факторов на РСДЭС может привести к её разрушению, что негативно скажется на работе органов управления, сил, предназначенных для предотвращения и ликвидации последствий ЧС, жизни населения, вплоть до возможной потери управления регионом. Для исключения такого исхода, сеть должна быть приспособлена для работы в условиях ЧС. Специальные требования, предъявляемые условиями ЧС к РСДЭС, содержатся во множестве нормативных документах отрасли. В настоящее время в регионах нет сетей ДЭС, специально приспособленных для использования в условиях ЧС, в этих целях используются существующие сети гражданского назначения. Существующие сети ДЭС, оказываясь в зоне действия ЧС, разрушаются за короткое время из-за того, что они не отвечают специальным требованиям работы в условиях ЧС [52]. Под разрушением сети понимается невозможность выполнения своих функций вследствие выхода из строя её основных элементов: узлов и соединяющих их каналов и линий связи. При разрушении сети нарушается её структура и сеть распадается на отдельные элементы.

Потеря работоспособности сети, связанная с выходом из строя узлов, не является предметом анализа в данной диссертационной работе. Это связано с тем, что данная работа является одной из первых, посвященных вопросам функционирования РСДЭС в условиях ЧС. И рассмотреть в ней все вопросы, связанные с сохранением жизнеспособности сети в условиях ЧС, невозможно. В настоящее время имеется достаточное количество работ, в которых рассмотрены вопросы сохранения связности сети при выходе из строя (гибели) узлов только в обычное время. В условиях обычного времени вероятность выхода из строя узлов может быть выше, чем вероятность выхода из строя каналов, поскольку в один и тот же узел, как правило, включается несколько каналов. Однако в условиях ЧС вероятность выхода из строя каналов (линий) увеличивается, так как разрушительные факторы ЧС действуют на территорию, где узел является точкой воздействия, а каналы (линии), имеющие распределенные параметры, претерпевают воздействия сразу в нескольких точках. Восстановление работоспособности узлов достигается благодаря тому, что их оборудование, как в обычных условиях, так и в условиях ЧС, подлежит обязательному резервированию и определяется соответствующими характеристиками надежности [33,35]. Восстановление работоспособности каналов связи в условиях ЧС требует больших затрат труда и времени и сопряжено со значительными трудностями [33]. Поэтому сохранение работоспособности сети в условиях ЧС достигается не за счет восстановления или замены каналов, а за счет создания специальной структуры, позволяющей сохранять связность в условиях выхода из строя части из них.

Для обеспечения выполнения РСДЭС функций по обслуживанию сообщений, особенно в период действия ЧС, необходимо обеспечение достаточно высокой структурной надежности (живучести) сети, под которой понимается способность сети выполнять свои функции при выходе из строя ее отдельных элементов. Выход из строя элементов сети, приводящий к нарушению ее структуры, в условиях ЧС имеет массовый характер, поэтому РСДЭС должна иметь такую структуру, которая бы позволяла сети обеспечить выполнение своих функций при массовом выходе из строя ее элементов.

Чрезвычайно важной характеристикой РСДЭС, в условиях действия ЧС, является сохранение актуальности передаваемой по ней информации. Информация, содержащаяся в передаваемых по РСДЭС сообщениях, в условиях ЧС, сохраняет свою актуальность только на очень короткий срок, поэтому сеть должна осуществлять обслуживание сообщений в установленное время. В действительности, резкое увеличение нагрузки в условиях действия ЧС, одновременно с выходом из строя элементов сети, приводит к увеличению времени обслуживания сообщений. Из этого следует, что структура РСДЭС в условиях действия ЧС должна обладать не только достаточно высокой живучестью, но и обеспечивать обслуживание резко возросшего числа сообщений в установленное время. Структурная надёжность, актуальность информации (время обслуживания сообщений в сети) определяются требованиями, предъявляемыми условиями ЧС к РСДЭС. В связи с этим, при использовании РСДЭС в условиях ЧС, их структуры должны отвечать требованиям, предъявляемым к ним условиями ЧС.

Вопросы улучшения структурной надёжности (живучести) сетей электросвязи широко рассмотрены в работах различных авторов [3,5,6,9,13,20,22,30,31,34,41,42,43,44,55−65], в которых исследованы характеристики различных структур, уязвимость структур в условиях выхода из строя их отдельных элементов, предложены методы упрочнения некоторых структур. В рассмотренных работах не было предложено методов разработки структур РСДЭС для условий ЧС [19]. Вопросы анализа и синтеза различных структур РСДЭС, а также вопросы обслуживания сообщений в них для условий ЧС до сих пор не исследованы, что подтверждает актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования.

Целью настоящей работы является исследование и разработка структур РСДЭС, отвечающих требованиям, предъявляемым к ним условиями ЧС. Задачами исследования являются: анализ существующих региональных сетей на возможность выполнения требований, предъявляемых к ним условиями ЧСклассификация существующих структур РСДЭС и разработка типовых структурных моделей, отражающих их особенностианализ трафика, обслуживаемого РСДЭС в условиях действия ЧС;

— оценка типовых структур РСДЭС на соответствие требованиям, предъявляемым к ним условиями ЧСсинтез структур РСДЭС, отвечающих требованиям условий ЧС (на конкретных примерах).

Методы исследования.

Теоретические исследования, проведенные в диссертации, базируются на использовании аналитических и численных методов теории вероятности, математической статистики, теории графов.

Содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

4.5. Выводы.

1. Для упрочнения типовых структур РСДЭС следует использовать разработанную методику, которая заключается в оценке соответствия существующей структуры основным требованиям I и III, предъявляемым условиями ЧС, введении дополнительных связей (каналов) при несоответствии требованиям, проверке соответствия указанным требованиям упрочнённой структуры и в дальнейшем упрочнении вплоть до достижения соответствия.

2. Условие соответствия структуры основным требованиям I и III условий ЧС может быть формализовано для целей синтеза в следующих четырех параметрах: v0 — предельно допустимый уровень поражающего действия, определённый как предельно допустимая доля изолированных (не связанный с сетью) узлов, исключая генерирующий, изоляция которых обусловлена действием разрушительных сил ЧСуся — вероятность того, что в результате действия разрушительных сил ЧС, доля изолированных узлов не превысит v0;

Т0 — максимально допустимое время обслуживания сообщения в сети с данной структуройут — вероятность того, что время обслуживания сообщения в сети с данной структурой не превысит Т0.

Численные значения параметров Т0 и vQ установлены нормативнозначения параметров ут и усв принимаются равными 0.95 или 0.99.

3. Условие своевременной доставки сообщения по неразрушенной сети с заданной вероятностью ут означает, что квантиль Тсг, найденная по функции распределения ФДО общего времени обслуживания сообщения в сети не превосходит Т0. Для однородных сетей, в которых Ft (/) не зависит от числа узлов S, требование своевременной доставки сообщения может быть переформулировано в терминах максимально возможного количества переприемов J — 1.

4. Методика синтеза структур новых РСДЭС состоит в выборе наиболее подходящих для данного региона типов структур, их упрочнении, оценке синтезированных на соответствие основному требованию IV условий ЧС и выборе из числа синтезированных той структуры, которая требует наименьших капиталовложений.

5. Для конкретной структуры типа «звезда» с числом местных узлов /, равным 4, и р = 0.1 соответствие требованиям условий ЧС достигается при связности местных узлов равной 3 при усв> 0.99, ут> 0.95. Упрочнение структур типа «звезда» может быть выполнено за счет равномерного введения связей между местными узлами (увеличения связности местных узлов).

6. Для конкретной структуры типа «двойная звезда» с числом местных узлов 1 = 22 и h = 6, при р = 0.1, соответствие условиям ЧС достигается при доведении данной структуры до структуры типа «двойная звезда с дублированием» при усв> 0.95, ут> 0.95. Дальнейшее упрочнение данной структуры проводится аналогично структуре типа «звезда» .

7. Для конкретной структуры типа «двойная звезда с дублированием», при числе местных узлов / не превышающем 35 и р = 0.1, структура соответствует требованиям условий ЧС при усв> 0.95, ут> 0.95. Дальнейшее упрочнение данной структуры проводится аналогично структуре типа «звезда» (при / превышающем 35).

8. Для конкретной структуры типа «звезды на кольце» с одним генерирующим центральным узлом, числом центральных узлов равным 4 и числом местных узлов /, равным 8 (по два узла в каждой «звезде») и р = 0.1, соответствие требованиям условий ЧС достигается при вынесении генерирующего узла в центр кольца, связности центральных узлов равной 3 и связности местных узлов равной 2 при /св>0.95, ут> 0.95. Дальнейшее упрочнение данной структуры проводится аналогично структуре типа «звезда» .

9. При реконструкции существующих и синтезе новых структур РСДЭС следует руководствоваться разработанными рекомендациями, изложенными в разделе 4.4.