На правах рукописи

Протопопов Валерий Александрович

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОЦЕНКИ УРОВНЯ

УЯЗВИМОСТИ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка

информации (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Носков Сергей Иванович Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: Лакеев Анатолий Валентинович кандидат технических наук, доцент Демаков Владимир Иванович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский Государственный университет» 664003, г. Иркутск, ул.К.Маркса, 1.

Защита диссертации состоится 19 апреля 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г.

Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А–803.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 16 марта 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.004.01:

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Ученый секретарь диссертационного А.В.Данеев совета, доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последние годы в России резко снизилась безопасность на всех видах транспорта – железнодорожном, воздушном, автомобильном, речном, морском. Причин этого уже начинающего вызывать самое серьезное беспокойство в обществе явления много. Отметим, что основные из них связаны (и на это прямо указывают руководители отрасли) с физическим и моральным износом всех практически элементов транспортной системы страны. Именно вследствие этого в основном происходят крушения, аварии, сходы пассажирских и грузовых поездов, другие техногенные катаклизмы, вызывающие причинение вреда жизни и здоровью граждан, окружающей среде, приводящие к крупному материальному ущербу. Следует учитывать также то обстоятельство, что аварии могут быть следствием совершения актов незаконного вмешательства в деятельность объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) и/или транспортных средств, в том числе различных проявлений террористического характера. Достаточно вспомнить трагедию с «Невским экспрессом».

Перечисленные обстоятельства диктуют настоятельнейшую необходимость создания фундаментальной научной методологии оценки уровня безопасности (или уязвимости) объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ), отсутствующей в настоящее время.

Вопросами повышения уровня транспортной безопасности занимались, в частности, такие ученые, как Н.А.Махутов, П.Ф.Махонько, В.В.Клименков, Н.В.Волков, Н.П.Терешина и другие.

Представляется, что основой методологии решения указанной проблемы могут и должны стать современные методы системного анализа, в том числе математического моделирования. Они являются признанным инструментом научного анализа сложных, с множеством внутренних и внешних взаимосвязей объектов различной природы, поскольку позволяют на модельном уровне формализовывать закономерности, присущие этим объектам, посредством разработки их качественных абстрактных образов.

Это открывает широкие возможности в повышении эффективности вырабатываемых управляющих воздействий, поскольку при этом экспериментирование может проводиться не с «живой» системой, а с её математической моделью.

В основе методологии системного анализа лежат фундаментальные труды зарубежных исследователей Р.Бертоланфи, С.Л.Оптнера, Ч.Хитча, Э.Квейда, М.Месаровича, Р.Беллмана, Р.Э.Макола, Г.Х.Гуда, Р.Эшби, Р.Акоффа, Ф.Эмери и российских ученых Н.Н.Моисеева, Г.С.Поспелова, В.М.Матросова, Ю.И.Черняка, Ф.П.Тарасенко, Ф.И.Перегудова, С.П.Никанорова, В.С.Симанкова и других.

Следует отметить, что уязвимость ОТИ – понятие векторное, заключающее в себе значительное количество частных характеристик (критериев). Исследованием проблем, связанных с оперированием векторными критериями, занимается современная теория принятия решений.

Большой вклад в ее развитие внесли зарубежные и российские ученые Б.Руа, Х. Фишборн, Л.Ю, М.Зелены, Р.Д.Льюис, Л.Райфа, Ф.Бэрри, С.Н.Васильев, Н.М.Макаров, Ю.А.Воронин, Л.А.Растригин, В.В.Подиновский, В.Д.Ногин, С.И.Носков, Л.А.Растригин, Б.Г.Литвак, А.И.Орлов и другие.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и программного комплекса для оценки уровня уязвимости объектов транспортной инфраструктуры на примере железнодорожных мостов Восточной Сибири.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

- выделить факторы (критерии), в совокупности определяющие степень уязвимости железнодорожных мостов;

- разработать алгоритм линейного агрегирования частных критериев уязвимости с учетом уровня компетентности экспертов;

- разработать методику применения агрегированного критерия для комплексной оценки уровня уязвимости железнодорожных мостов;

- построить программный комплекс формирования линейной свертки частных критериев на основе экспертной информации;

- произвести макрооценку уровня уязвимости железнодорожных мостов Восточной Сибири.

Объект исследования - инфраструктура железнодорожного транспорта, рассматриваемая на уровне макропоказателей.

Предмет исследования – комплексная оценка уровня уязвимости объектов транспортной инфраструктуры, агрегирующая ряд частных характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, математического моделирования сложных систем, теории принятия решений, линейного программирования, экспертных оценок.

Научную новизну диссертации составили следующие результаты:

- сформирована система взаимовлияющих показателей, в совокупности отражающая уязвимость железнодорожных мостов по отношению к актам незаконного вмешательства;

- разработана алгоритмическая схема построения линейной свертки частных критериев уязвимости с одновременным выявлением уровня компетентности экспертов и учетом возможной противоречивости в высказываниях и степени убежденности в их достоверности;

- разработана методика использования обобщенного критерия для оценки уязвимости мостов на макроуровне;

- введены понятия допустимой и недопустимой уязвимости;

- построен программный комплекс агрегирования локальных критериев с учетом экспертной информации;

железнодорожных мостов Восточной Сибири.

Достоверность полученных результатов обусловлена корректным согласованностью практических выводов, полученных на основе предлагаемых в работе методов, с рекомендациями органов управления железной дороги, выработанными с использованием существующей нормативной базы.

проведенных исследований управлением Восточно-Сибирского филиала РАО «РЖД» был разработан комплекс мероприятий по снижению уровня уязвимости железнодорожных мостов Восточной Сибири. Кроме того, результаты диссертации используются в учебном процессе ИрГУПС.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельных ее разделов докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона (Иркутск, 2012г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития» (Иркутск, 2012г.), Международной конференции «Компьютерное моделирование в науке т технике» (Андорра, 2013г.), на научных семинарах кафедры «Информационные систем и защита информации» ИрГУПС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 92 наименований. Общий объем 126 стр., включая 6 таблиц и 11 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность предложенных подходов, выносимые на защиту положения, приводится краткий анализ состояния исследуемых вопросов.

В первой главе проводится анализ состояния дел в области исследования уязвимости ОТИ. Отмечается, что эти объекты представляют собой исключительно сложные технические, энерго- и материалоемкие системы, обладающие высокой значимостью, масштабностью и насыщенностью транспортными средствами и механизмами, различными грузами, в том числе опасными. Обсуждаются этапы проведения основных работ, связанных с обеспечением транспортной безопасности, в том числе по отношению к потенциальным актам незаконного вмешательства (АНВ) в деятельность ОТИ, включая возможные террористические проявления различных типов.

железнодорожного транспорта в зависимости от количественных значений статистических показателей о совершенных и предотвращенных АНВ на территории Российской Федерации. Анализируется существующая нормативно-законодательная база, определяющая действующую методику оценки уровня уязвимости ОТИ, делается вывод о высокой затратности, в эффективности.

В главе констатируется, что эффективным средством решения проблемы оценки уровня уязвимости ОТИ является методология системного анализа, характеризующаяся принципами комплексности, свободы выбора, итеративности, инвариантности, декомпозиции, адаптивности и эволюционности. Ее реализация в соответствии с классическими трудами этой области предполагает необходимость выполнения следующих основных Генерирование идей. 3. Выявление факторов, ограничений, структуры проблемы и ее декомпозиция на подпроблемы и задачи. 4. Формализация задач. 5. Моделирование задач. 6. Построение теории решения задач. 7.

Проведение экспериментов. 8. Решение задач. 9. Оценка взаимовлияния решений подпроблем и проблемы в целом. 10. Построение альтернативных вариантов решений. 11. Принятие решения. 12. Реализация решения. 13.

Оценка последствий реализации решения, анализ и прогноз развития ситуации.

Уязвимость ОТИ – векторное понятие, содержащее массу частных характеристик. Одним из эффективных способов оперирования ими являются агрегирования с тем, чтобы оценивать уровень уязвимости ОТИ не вектором, а одним числом относительного характера.

Во второй главе обосновывается состав основных показателей, характеризующих уязвимость железнодорожных мостов по отношению к потенциальным АНВ. К ним, в частности, относятся: наличие (или отсутствие) охраны, количество постов, количество охранников, стоимость охранных услуг, стоимость моста, технические характеристики моста(длина, количество путей и т.д.), пассажиро- и грузопоток с учетом номенклатуры грузов, характеристика технических средств физической защиты (ТСФЗ) работоспособности, стоимость текущего обслуживания, расстояние до пунктов выведения сигналов, время на восстановление работоспособности в случае повреждения и т.д.).

Перейдем к формальной постановке задачи. Отметим, что последующий материал основан на работах С.И.Носкова и его учеников.

Итак, пусть в распоряжении исследования есть численная информация о g критериях уязвимости r объектов транспортной инфраструктуры, т.е. матрица Пусть к оценке уязвимости каждого ОТИ привлечены p экспертов. На основе использования их сравнительных высказываний и матрицы X (агрегированный критерий) вида:

где j-номер частного критерия.

относительно сравнительной уязвимости пар ОТИ. При этом каждый эксперт производит свою оценку только по отношению к парам, уязвимость ОТИ в которых он может с уверенностью сравнить.

M i (a1i, b1i ), (a 2, b2 ),..., (alii, blii ) пар объектов, в которых первый объект более (не менее) уязвим, чем второй, и множество N i (c1i, d1i ), (c 2, d 2 ),..., (c si i, d sii ), пар объектов, уязвимость которых, по мнению эксперта, «примерно»

одинакова, i 1, p.

Здесь li и si - размерность множеств M i и N i соответственно. При этом не исключаются ситуации, когда какое-то из множеств N i или M i оказывается пустым, поскольку эксперт может затрудниться в указании требуемых пар.

В случае непротиворечивости экспертных высказываний должны быть совместны системы линейных равенств и неравенств где через R(k ) обозначена уязвимость k-го объекта, k 1, r.

Сделаем одну необходимую оговорку. А именно, чем больше значение R (k ).3 R (k ), тем выше уязвимость k-го объекта. Значит, для достижения однородности обобщенного и частных критериев необходимо полагать, что каждый фактор x j позитивно (в формальном смысле) влияет на уязвимость, то есть усиливает (увеличивает) ее. А в приведенном выше перечне частных характеристик уязвимости ОТИ есть такие (например, количество переменных 1 xi. Поэтому в (1) естественен переход от переменных xi к переменным ~i, задаваемым по правилу:

xi, если i - ый фактор увеличивает 1 x, в противном случае.

Таким образом, свертка (1) заменится на где, в соответствии с (4), j >0, j 1, g. Для агрегированного показателя уязвимости R очевидным образом остаются справедливыми системы равенств (2) и неравенств (3).

Введем в рассмотрение переменные Тогда равенства (2) и неравенства (3) примут соответственно вид:

В соответствии с приемом, принятом в теории принятия решений, потребуем, чтобы так называемая разрешающая способность системы неравенств (6) была как можно выше. Формально это требование представимо в форме:

Здесь i - уровень компетентности i-го эксперта, при этом i >0, i 1, p, высказывания по отношению к е-ой паре в множестве M i.

При отсутствии информации об оценках уровня компетентности экспертов будем полагать i 1 для всех i 1, p.

возможности сравнения степени уязвимости разных по характеру и масштабу относительный характер. Это можно делать, например, следующим образом.

Рассчитаем максимальные значения преобразованных значений частных критериев уязвимости:

Потребуем, чтобы уязвимость некоего объекта с максимальными значениями ее частных характеристик составляла бы 100%:

Требование строгой положительности параметров j, а также то обстоятельство, что каждый частный показатель уязвимости обязательно должен обладать какой-то, по крайне мере, минимальной значимостью, можно формализовать следующим образом:

использовать, например, такие:

характеристики уязвимости в их агрегат, значения таких вкладов будут равны уязвимости ОТИ R сводится к задаче линейного программирования (ЛП) с ограничениями (6), (7), (9), (10) и целевой функцией (8).

В том случае, если изначально уровень компетентности экспертов неизвестен ( i для всех i), то после решения указанной задачи ЛП этот уровень можно вычислить, рассчитав среднюю разрешающую способность высказываний каждого эксперта:

то есть чем выше суммарная разрешающая способность ограничений (6), тем выше уровень компетентности соответствующего эксперта.

Разумеется, такой способ оценивания уровня компетентности экспертов является в определенной мере относительно условным, поскольку жестко привязан к виду функции, задающей свертку критериев. Если, в частности, вместо линейной функции (1) использовать более функцию более гибкую, например, полином, результаты могут оказаться несколько иными.

Предположим теперь, что задача ЛП (6), (7), (9), (10), (8) несовместна, то есть экспертные высказывания взаимно противоречивы. В этом случае в соответствии с теорией решения некорректных задач А.Н. Тихонова нужно соответствующий прием.

Введем в рассмотрения новые неотрицательные переменные u ei, e, t ei и преобразуем ограничения (6) и (7) к виду:

Введенные переменные представляют собой искажения, привнесенные в ограничения (6) и (7) и гарантирующие их совместность. Эти искажения необходимо минимизировать, заменив функционал (8) на следующий:

Сформированная таким образом задача ЛП (12), (13), (9), (10), (14) также будет позволять рассчитывать коэффициенты линейной свертки (5).

Далее, при оценивании уровня компетентности каждого эксперта в этом случае следует исходить из соображения - чем меньше суммарное искажение ограничений, следующих из его экспертных высказываний, тем этот уровень выше, то есть Для оценки уровня компетентности экспертов, высказывания которых непротиворечивы, следует воспользоваться описанным выше приемом с помощью формулы (11).

Далее в главе вводятся формализованные понятия допустимой и недопустимой уязвимости, а также описывается методика их использования при решении практических проблем.

Завершает главу раздел, в котором описан программный комплекс ПАК построения агрегированного критерия оценки уязвимости ОТИ, основанный на представленной выше алгоритмической схеме. При разработке комплекса был применен структурный подход, заключающийся в использовании логических структур и блок-схем, что позволило на этапе проектирования определить функциональный состав, глобальные процедуры и функции, а также алгоритм действий.

Алгоритм функционирования ПК ПАК представлен на рис.1. Интерфейс ПК был реализован с использованием графического редактора Microsoft Office Visio в среде визуального моделирования C#.

В третьей главе производится расчет и сравнительный анализ макрооценки уровня уязвимости двадцати наиболее крупных железнодорожных мостов Восточной Сибири.

Введем следующие обозначения по отношению к каждому мосту: Х1 – количество путей (шт.); Х2 – год постройки моста; Х3 – год последнего капитального ремонта моста; Х4 – длина моста (м.); Х5 – балансовая стоимость моста (млн. руб.); Х6 – остаточная стоимость моста (млн. руб.); Х – грузонапряженность моста (млн. т. гр. на 1 км. в год); Х8 – количество пассажирских и пригородных поездов в сутки (шт.); Х9 – количество постов охраны (шт.); Х10 – год установки видеокамер; Х11 – количество видеокамер (шт.); Х12 – балансовая стоимость технических средств физической защиты (млн. руб.); Х13 – среднегодовая стоимость текущего содержания ТСФЗ (млн. руб.).

Для формирования необходимой экспертной информации была Формирование целевой функции на максимум Рис.1. Алгоритм функционирования ПК ПАК.

высококвалифицированными специалистами по транспортной безопасности вообще и по противодействию террористическим угрозам в частности.

Сравнительный анализ интегральной уязвимости железнодорожных мостов производился ими согласованно, в режиме коллективного обсуждения.

Для расчета параметров линейной свертки (5) частных показателей была решена задача линейного программирования (6), (7), (9), (10), (8). Ее система ограничений оказалась несовместной, что для задачи такой размерности совершенно естественно.

Поэтому для поиска неизвестных параметров была решена задача ЛП (12), (13), (9), (10), (14).

В результате решения этой задачи для интегральной оценки уязвимости террористическим угрозам построена следующая агрегирующая свертка частных характеристик:

0.075 X 8 63.75 / X 9 8500 / X 10 60.25 / X 11 18.75 / X 12 10.35 X 13.

0.075 X 8 63.75 / X 9 8500 / X 10 60.25 / X 11 18.75 / X 12 10.35 X 13.

Проанализируем сравнительную значимость частных показателей уязвимости, пользуясь при этом значениями полученных параметров. Для этого оценим «вклад» каждой компоненты суммы (15), рассчитав величины произведений i X i, например, для моста №5.

В соответствии с этими результатами с коллективной точки зрения экспертов частные показатели уязвимости можно упорядочить по значимости следующим образом:

Здесь символом « » обозначено отношение строгого предпочтения (значимости).

Упорядочение (16) позволяет сделать важные выводы относительно сравнительной важности частных показателей уязвимости мостов.

Ниже приведены обобщенные оценки уровня уязвимости всех 20 мостов в соответствии с их номерами: 1 – 8835, 2 – 90.63, 3 – 78.66, 4 – 82.31, 5 – 49.59, 6 – 38.19, 7 – 72.22, 8 – 73.25, 9 – 77.92, 10 – 72.96, 11 – 74.55, 12 – 73.3, 13 – 78.66, 14 – 38.7, 15 – 93.76, 16 – 89.49, 17 – 53.29, 18 – 45.03, 19 – 63.57, 20 – 56.26.

Перед тем, как приступить к анализу помещенных в ней выходных данных, прежде следует заняться выработкой правила классифицирования представительными и в то же время не мешающими адекватному восприятию действительности могут быть следующие 5 классов:

R 80 – уровень уязвимости очень высокий;

60 R 80 - уровень уязвимости высокий;

40 R 60 - уровень уязвимости средний;

20 R 40 - уровень уязвимости низкий;

R 20 - уровень уязвимости очень низкий.

Проведем теперь указанный анализ с учетом этой классификации, начиная с первого, наименее благоприятного случая очень высокого уровня уязвимости.

1-ый класс – мосты №№ 1, 2, 4, 15, 16;

2-ой класс – мосты №№ 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 19;

3-ий класс – мосты №№ 5, 17, 18, 20;

4-ый класс – мосты №№ 6, 14;

5-ый класс - пуст.

Отметим, что среди анализируемых двадцати железнодорожных мостов нет таких, которые бы обладали очень низким уровнем уязвимости.

Какие же практические выводы можно сделать из этой информации?

Во-первых, мосты из 3-го и 4-го классов не требуют сколь–нибудь пристального внимания, уровень их уязвимости вполне приемлем и не нуждается в существенном снижении.

Во-вторых, некоторые из частных показателей уязвимости мостов из второго класса имеют неприемлемо высокие значения, что требует разработки планов по принятию конкретных мер, направленных на выправление ситуации.

Наконец, в-третьих, наибольшее беспокойство вызывают пять мостов из первого класса. Ситуацию с уязвимостью здесь необходимо признать если не угрожающей, то, по крайней мере, весьма тревожной, требующей пусть и не немедленного, то весьма быстрого реагирования. Возможно, для этого необходимо принять какие-либо решения законодательного характера если не на федеральном, то, как минимум, на региональном либо ведомственном уровнях.

совокупности отражающая уровень уязвимости железнодорожных мостов по отношению к актам незаконного вмешательства, в том числе проявлениям террористического характера.

2. Разработана алгоритмическая процедура построения линейной свертки частных критериев уязвимости с одновременным выявлением уровня компетентности экспертов, учетом возможной противоречивости в высказываниях и степени убежденности в их достоверности;

3. Разработана методика использования обобщенного критерия для оценки уязвимости мостов на макроуровне с использованием введенных в диссертации понятий допустимой и недопустимой уязвимости.

4. Построен программный комплекс ПАК автоматизации процесса агрегирования локальных критериев с учетом экспертной информации.

5. Проведен комплексный анализ уровня уязвимости двадцати классифицированием по степени опасности по отношению к потенциальным АНВ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах 1. Носков С.И., Протопопов В.А. Оценка уровня уязвимости объектов транспортной инфраструктуры: формализованный подход//Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.-20011.-№4.-С.241-244.

2. Носков С.И., Протопопов В.А. К вопросу разработки методики оценки транспортной безопасности//Системы. Методы. Технологии.-2012.-Вып.13.С.87-90.

3. Носков С.И., Протопопов В.А., Торопов В.Д. Формирование факторного пространства при моделировании уровня уязвимости объектов транспортной инфраструктуры//Современные наукоемкие технологии.-2012.-№4.-С.38-39.

4. Глухов Н.И., Протопопов В.А. Актуальные проблемы оценки уязвимости объектов транспортной инфраструктуры //Вестник Бурятского государственного университета. Экономика и право. – Вып. 2., С.278-283.

5. Носков С.И., Протопопов В.А. Две трактовки многокритериальной оценки уязвимости объектов транспортной инфраструктуры//Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.-2012.-№3.-С.46-47.

1. Ракислова М.С., Протопопов В.А. Контуры информационной системы инфраструктуры//Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. 2012.-Вып. 10.- С.53-56.