Разработка методик и алгоритмов комплекса средств нейтрализации информационных рисков для автоматизированных систем управления производством

Актуальность проблемы. В настоящее время успешная деятельность любой автоматизированной системы управления производством и, в частности автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) t возможна только с применением информационных технологий. Это, с одной стороны, приносит значительные преимущества с точки зрения производительности труда и конкурентоспособности, с другой же приводит к совершенно новым рискам, связанным с порчей, утратой и уничтожением нормативной, производственной и технологической информации.

Указанная проблема особенно обострилась в связи с широким распространением интегрированных корпоративных систем типа ERP, В2 В, В2С, являющихся фундаментом построения открытых распределенных систем управления, пригодных как для АСУТП, так и для других применений. В таких системах требуются быстрый цикл опроса, надежность передачи данных и широкие возможности интеграции с верхними уровнями управления.

В России ущерб от информационных рисков до сих пор интегрально не подсчитывался (в отличие от США и Европы, где ежегодные потери в этой области составляют 100 и 35 млрд. долларов), но с учетом их возможных масштабов сумма представляется весьма значительной. Важность проблемы нейтрализации информационных рисков в нашей стране подчеркивает факт создания по инициативе Президента Российской Федерации соответствующей доктрины, согласно которой к важнейшим из методов обеспечения нейтрализации информационных рисков (ИР) относятся организационно-технические.

При этом технические методы комплексной автоматизации включают в себя программно-аппаратное обеспечение, стандартизованное и унифицированное с точки зрения структуры и физической реализации. Что же касается проблемы нейтрализации информационных рисков в свете современной концепции АСУТП, то это довольно слабоизученная, новая проблема. Тем не менее, исследованиям в этой области посвящен ряд работ зарубежных специалистов Michael A. Rossi, Mark S. Dopfman, G. Rejda, S. Breidenbach. [106−108], а также изыскания отечественных ученых Прохорова H. JL, Рейзмана Я. А. Красовского В.Е., Бондаревского А. С., Панасенко С. П. [7−14, 60−65, 72, 73] и др. Однако, все они связаны с изучением отдельных аспектов реализации АСУТП, таких как надежность модульного конструктива, развитый человеко-машинный интерфейс, повышенная живучесть системы, обусловленная тем, что контроллеры должны осуществлять технологическое регулирование и защитные функции, а также с вопросами создания криптостойких алгоритмов при проектировании специального программного обеспечения для автоматизации технологических процессов и производств и т. д.

Таким образом, задача создания новых методик и алгоритмов для комплекса средств нейтрализации информационных рисков (СНИР) весьма актуальна и здесь огромную роль играют методы моделирования, поскольку являются неоспоримым доказательством достоверности предложенных подходов, а также позволяют верифицировать полученные результаты функционирования при устранении наиболее распространенных информационных рисков. Исследованиям методов математического моделирования посвящены работы таких зарубежных ученых, как Hurwicz L., Barker R. [105, 1110] и др., а также труды отечественных деятелей науки — Самарского А. А., Михайлова А. П., Семененко М. Г, Дрогобыцкого [30, 31, 76, 77] и др.

В настоящее время методы математического моделирования при нейтрализации информационных рисков в сфере комплексной автоматизации производства применяются достаточно редко, поэтому их интеграция с методологией проектирования программного обеспечения для АСУТП является одним из перспективных направлений.

Целью диссертации является программная реализация разработанных методик и алгоритмов комплекса средств нейтрализации информационных рисков дл-! АСУТП на основе математического моделирования и адаптивного встраивания в информационное пространство конкретного производства с учетом его особенностей и имеющихся ресурсов.

В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи: анализ современного состояния проблемы нейтрализации информационных рисков при комплексной автоматизации производстваисследование применимости математического моделирования для создания комплекса средств нейтрализации информационных рисковf ¦ разработка методики оценки информационных рисков в соответствии с выработанными критериямисоздание формализованного представления и моделирование процесса нейтрализации информационных рисков при несанкционированном доступе и его моделированиеразработка алгоритмов функционирования комплекса СНИРпрограммная реализация методик и алгоритмов комплекса СНИР в составе АСУТП предметной области.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию сложных систем, ключевые положения кибернетики, общей теории систем. При решении конкретных задач использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области нейтрализации информационных рисков, математического моделирования, теории вероятностей, математической статистики, теории графов и теории игр.

Научная новизна. В диссертационной работе осуществлено решение научной проблемы создания комплекса программных средств нейтрализации информационных рисков на основе разработанных методик и алгоритмов, обеспечивающих повышение уровня защищенности АСУТП в соответствии с полученными зависимостями.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1. На основе анализа базовых' процессов функционирования современной АСУТП определены перечень возможных информационных рисков и средства их нейтрализации.

2. Предложена методика оценки ИР в соответствии с выработанными критериями и количественной структуризацией оцениваемых факторов на основе анализа иерархий.

3. Разработано формализованное представление задачи выбора средств нейтрализации ИР с учетом изменения ресурсов и условий эксплуатации АСУТП.

4. Предложен алгоритм рандомизированных процедур для выбора комплекса «СНИР.

5. Разработан алгоритм ускоренного поиска по дереву решения на основе смешанных стратегий.

6. Определены критерии выбора средств нейтрализации с учетом различных вариантов смены параметров и различных функциях распределения времени преодоления информационных преград при несанкционированном доступе.

7. Осуществлена программная реализация методик и алгоритмов комплекса ' СНИР, внедрение которой практически подтвердило повышение эффективности нейтрализации ИР в два раза.

Результаты работы подтверждены свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № 20 022 610 716 «Программа автоматизации технологического процесса изготовления пищевых продуктов" — зарегистрировано в РОСПАТЕНТ 17 мая 2002 г., заявка № 2 002 610 427.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов теоретического анализа реальному функционированию системы, а также использованием методов теории принятия решений, теории графов и классического аппарата дискретной математики.

Разработанное программное обеспечение фактически используется на пяти предприятиях пищевой промышленности и обеспечивает снижение ошибок персонала при работе с системой на 45%- снижение потерь данных из-за сбоев и отказа аппаратуры в 1.5 разасокращение системных ошибок, приводящих АСУТП в неработоспособное состояние на 30%.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение комплексной методики выбора СНИР для АСУТП. Проведенные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу моделирования и построения программных комплексов СНИР для АСУТП.

Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств.

Самостоятельное практическое значение имеют: ,• • метод анализа иерархий для количественной оценке информационных рисков и эффективностей СНИР;

• верификация методики оценки средств нейтрализации ИР при несанкционированном доступе путем математического моделирования;

• программная реализация методик и алгоритмов комплекса СНИР в составе АСУТП предметной области (пищевой промышленности). Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы в пищеблоке МИЭТ, в ЗАО «ПаПл», в учебный процесс МИЭТ. Личный вклад автора.

1. Исследованы базовые процессы функционирования современной АСУТПопределены перечень возможных информационных рисков и средства их нейтрализации.

2. Разработана методика количественной оценки информационных рисков и эффективностей СНИР с помощью структуризации оцениваемых факторов на основе анализа иерархий.

3. Разработана математическая модель функционирования СНИР при несанкционированном доступе с учетом различных вариантов смены параметров СНИР и различных функциях распределения времени преодоления информационных преград.

4. Разработан алгоритм ускоренного поиска по дереву решения на основе рандомизированной стратегии дискретного программирования.

5. Разработаны и внедрены программные средства нейтрализации информационных рисков в составе АСУТП предметной области.

Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Московского государственного института электронной техники и являлась составной частью исследовательских мероприятий в рамках НИОКР «Разработка методологии практической подготовки студентов в рамках инновационных образовательных программ» Федеральной целевой программы развития образования на 2006;2010 t годы.

Все работы по программной реализации средств нейтрализации ИР проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Технология разработки программного обеспечения», «Проектирование информационных систем», «Автоматизированные информационные системы». В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

1. Методика количественной оценки информационных рисков и эффективностей с помощью структуризации оцениваемых факторов на основе анализа иерархий.

2. Формализованное представление задачи выбора средств нейтрализации ИР с учетом изменения ресурсов и условий эксплуатации АСУТП.

1. Алгоритм рандомизированных процедур для выбора комплекса СНИР.

4. Алгоритм ускоренного поиска по дереву решения на основе смешанных стратегий.

5. Методика оценки средств нейтрализации ИР при несанкционированном доступе с учетом различных вариантов смены параметров и различных функциях распределения времени преодоления информационных преград.

6. Программная реализация методик и алгоритмов комплекса СНИР.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

VII Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006);

XV международная школа-семинар «Новые информационные технологии» (Крым, Судак, Московский государственный институт электроники и математики, 2007) — XIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (Томск, Томский ' политехнический университет, 2007).

По результатам исследований опубликовано 10 работ, из них 6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты о внедрении результатов работы. Общий объем диссертационной работы 120 страниц машинописного текста, 12 таблиц и 26 рисунков.

Выводы по главе.

1? Рассмотрены и определены требования к характеристикам комплекса СНИР в области структурного решения и программного обеспечения в соответствии с заданной функциональностью АСУТП.

2. С целью обоснования указанных, решений представлены системообразующие требования к параметрам и функциям современной АСУТП, обеспечивающей нейтрализацию ИР с помощью встроенного комплекса СНИР.

3. Разработаны состав и параметры технических средств программной реализации комплекса СНИР, основные характеристики и особенности пользовательского интерфейса комплекса СНИР в составе АСУТП.

4. Осуществлена верификация методики выбора комплекса эффективных СНИР в составе АСУТП пищевого комбината. Полученные результаты, наглядно отраженные на графиках, подтверждают возможность применения теории смешанных стратегий в трех различных постановках задачи, при этом наиболее целесообразно применение критерия № 3.

5. Представленные рекомендации имеют самостоятельное практическое значение и могут использоваться при создании современных АСУТП различного масштаба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная проблема создания комплекса программных средств нейтрализации информационных рисков на основе разработанных методик и алгоритмов, обеспечивающих повышение уровня защищенности АСУТП в соответствии с полученными зависимостями, при этом получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Представлена методика оценки ИР в соответствии с выработанными критериями и количественной структуризацией оцениваемых факторов на основе анализа иерархий.

2. Создано формализованное представление процесса нейтрализации ИР АСУТП в терминах теории графов и теории множеств, а также обоснованы пути и методики решения задачи оценки ИР с применением различных типов переборных алгоритмов.

3. Разработан алгоритм рандомизированных процедур для выбора комплекса СНИР.

4. Разработан алгоритм ускоренного поиска по дереву решения на основе г смешанных стратегий.

5. Предложена и верифицирована методика оценки средств нейтрализации ИР при несанкционированном доступе с учетом различных вариантов смены параметров и различных функциях распределения времени преодоления информационных преград.

6. Разработан базовый набор встроенных программных средств нейтрализации ИР, обеспечивающий: снижение ошибок персонала при работе с системой на 50%- снижение потерь данных из-за сбоев и отказа аппаратуры в 1.5 разасокращение системных ошибок, приводящих АСУТП в неработоспособное состояние на 30%.

7. Разработан и внедрен программный комплекс СНИР в составе АСУТП предметной области, опытная эксплуатация которого доказывает повышение эффективности нейтрализации ИР в целом в 2 раза в условиях ограниченных материальных ресурсов.