Файл: Анализ и оптимизация систем физической защиты особо важных объектов.pdf

На правах рукописи
БЫСТРОВ Сергей Юрьевич
АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ
СИСТЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
ОСОБО ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление
и обработка информации
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА 2004

Работа выполнена в Пензенском государственном университете на кафедре «Вычислительная техника».
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор Макарычев П. П.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Лебедев В. Б.;
доктор технических наук,
профессор Горбаченко В. И.
Ведущая организация - ФГУП «НПП «Рубин», г. Пенза.
Защита состоится « _ _ » _ _ _ 2004 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 при Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Крас- ная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.
Автореферат разослан « » 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,
профессор Смогунов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:
Актуальность темы. Изменения в общественно-экономической формации, произошедшие в последние годы в России, вызвали рез- кий рост угрозы безопасности военных и крупных промышленных объектов России, в первую очередь, объектов ядерно-оружейного комплекса, предприятий- ядерной энергетики, объектов топливно- энергетического комплекса, химической отрасли и т. п. Это связано с ростом масштабов внутреннего и международного терроризма, появ- лением в стране организованной преступности, с высоким уровнем внутригосударственной экономической и социальной напряженно- сти. Основой систем безопасности особо важных объектов являются системы физической защиты (СФЗ) на базе комплексов инженерно- технических средств физической защиты (ИТСФЗ), обеспечивающих решение задач обнаружения и пресечения несанкционированных действий персонала и посторонних лиц.
Актуальность задачи совершенствования средств анализа и опти- мизации СФЗ, особенно на ранних этапах разработки проекта, опре- деляется жесткими требованиями, предъявляемыми к эффективности
СФЗ, увеличением числа альтернативных вариантов построения сис- темы вследствие возрастающей сложности ее структуры. При этом высокая (Стоимость СФЗ не позволяет провести практическую про- верку полученных проектных решений.
Средства анализа и оптимизации СФЗ в настоящее время разви- ваются крайне медленно. Это обусловлено наличием, ряда проблем.
Основная проблема состоит в том, что СФЗ представляет собой кон- фликтную систему с антагонистическими, интересами, вследствие чего в процесс ее анализа и оптимизации вносится элемент неопре- деленности. Отсутствие единого понятийного аппарата и показате- лей эффективности приводит к росту влияния субъективных факто- ров при принятии проектных решений. Кроме того, для решения за- дач анализа и оптимизации СФЗ в первую очередь необходима раз- работка, формализованного описания, показателей эффективности системы и методик их получения, способов структурного и парамет- рического синтеза систем защиты.
В настоящее время наметились основные тенденции решения ука- занных проблем. Ведутся работы по созданию единого понятийного

аппарата и выработке единых критериев оценки, предложены мето- дики параметрического синтеза СФЗ. Вопросы создания СФЗ особо важных объектов нашли свое отражение в работах российских уче- ных Ю. А. Оленина, А. В. Измайлова, Г. Е. Шепитько, Э. И. Абал- мазова и других.
Однако многие вопросы анализа и оптимизации СФЗ остаются нерешенными. В частности, большинство предлагаемых показателей эффективности СФЗ не позволяют в полной мере учесть взаимное влияние элементов системы и не применимы для анализа СФЗ объек- тов со сложной топологией при наличии множества предметов защи- ты, что затрудняет использование существующих методов решения задачи оптимизации.
Целью диссертационной работы является совершенствование средств анализа и оптимального синтеза систем физической защиты особо важных объектов со сложной топологией.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
— разработка математической модели систем физической защиты объектов со сложной топологией, адекватно отображающей связи внутри системы для решения задачи оценки и оптимизации по кри- терию «эффективность - стоимость»;
— исследование и теоретическое обоснование функционально- стоимостных показателей эффективности СФЗ особо важных объек- тов;
— определение функциональных зависимостей интегральных по- казателей эффективности СФЗ от параметров ее подсистем;
— разработка способа и алгоритмов оптимального синтеза СФЗ
особо важных объектов со сложной топологией на основе заданного набора опций реализации рубежей защиты;
— теоретическое и экспериментальное исследование алгоритмов оптимального синтеза СФЗ объектов со сложной топологией.
Методологической основой работы являются методы системно- го анализа, методы динамического программирования, математиче- ский аппарат теории графов, теории вероятностей, теории алгорит- мов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель систем физической за- щиты особо важных объектов на основе сети с кратными дугами.
4

В отличие от известных модель позволяет описать СФЗ объектов со
сложной топологией на заданном уровне декомпозиции и получить
интегральную оценку эффективности СФЗ при наличии множества
предметов защиты без применения операции редукции вектора эф-
фективности к интегральному показателю.
2. Разработаны и обоснованы интегральные функционально-
стоимостные показатели эффективности СФЗ особо важных объек-
тов. В отличие от известных предложенные показатели позволяют
выполнять оптимизацию СФЗ с учетом принципов равнопрочности и
адекватности для предметов защиты различной категории.
3. Получены функциональные зависимости интегральных пока-
зателей эффективности СФЗ от параметров ее подсистем, позволяю-
щие, в отличие от известных, обобщить способ количественной
оценки эффективности для субъектов защиты со сложной структурой
подсистем.
4. Предложены эквивалентные преобразования на взвешенных
графах, которые позволяют формализовать процесс агрегирования на
модели СФЗ при решении задачи оптимизации.
5. Разработан алгоритм поиска последовательности эквивалент-
ных преобразований, приводящих исходную модель к трехэлемент-
ной модели, что позволяет представить непоследовательный процесс
выбора оптимального управления последовательным.
6. Предложен способ оптимизации СФЗ особо важных объектов
со сложной топологией. В отличие от известных предложенный спо-
соб позволяет выполнять оптимизацию на всем множестве возмож-
ных вариантов реализации при заданных ограничениях на исполь-
зуемые ресурсы с учетом топологии и взаимного влияния подсистем
СФЗ, что дает возможность значительно снизить влияние субъектив-
ного фактора на результаты оптимизации.
Практическая значимость работы состоит в создании новых,
более эффективных средств оптимального синтеза систем физиче-
ской защиты объектов, что позволяет сократить затраты на разработ-
ку и повысить качество концептуального проекта. В работе получе-
ны следующие практические результаты:
1. Алгоритм оптимального синтеза систем физической защиты
особо важных объектов на заданном наборе опций реализаций рубе-
жей защиты. В отличие от известного алгоритма прямого перебора,

имеющего экспоненциальную зависимость времени работы от коли- чества опций реализации рубежей защиты, сложность предложенно- го алгоритма имеет линейную зависимость.
2. Программная реализация предложенного алгоритма «Ana- lyzer», позволяющая автоматизировать процесс оптимизации СФЗ на этапе разработки концептуального проекта, существенно снизить время проектирования и влияние субъективных факторов.
Реализация и внедрение результатов. Основные результаты и положения диссертационной работы использованы ДГУП Научно- исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ) ФГУП «СНПО «Элерон» (г. Заречный Пензен- ской обл.).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель систем физической защиты особо важных объектов со сложной топологией на основе сети с кратными дугами.
2. Интегральные функционально-стоимостные показатели эф- фективности систем физической защиты и их функциональные зави- симости от параметров, входящих в нее подсистем.
3. Операции параллельного и последовательного агрегирования на модели систем физической защиты с использованием преобразо- ваний на взвешенных графах.
4. Алгоритм поиска на графе последовательности эквивалент- ных преобразований, приводящих исходную модель к трехэлемент- ной модели.
5. Способ решения задачи оптимизации систем физической за- щиты особо важных объектов со сложной топологией на заданном наборе опций реализации рубежей защиты методом динамического программирования.
6. Алгоритм оптимизации систем физической защиты особо важных объектов со сложной топологией и его программная реали- зация.
Апробация-работы. Основные положения диссертационной ра- боты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- III Всероссийской научно-практической конференции «Тех- нические средства охраны. Комплексы охранной сигнализации и

системы управления доступом» (г. Заречный,- Пензенская область,
2000 г.);
— IV Международной научно-технической конференции «Но-
вые информационные технологии и системы» (г. Пенза, 2000 г.);
- XII Международной школе-семинаре «Синтез и сложность
управляющих систем» (г. Пенза, 2001 г.);
- IV Всероссийской научно-практической конференции «Со-
временные охранные технологии и средства обеспечения комплекс-
ной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенская область,
2002 г.);
- VI Всероссийской научно-технической конференции «Новые
информационные технологии» (г. Москва, 2003 г.);
— XIV научно-технической конференции профессорско-препо-
давательского состава и студентов (г. Пенза, 2003 г.);
— Всероссийской научно-технической конференции «Вооруже-
ние, безопасность, конверсия» (г. Пенза, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы. 10 печатных
работ, в том числе 5 статей, 5 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литерату-
ры из 72 наименований. Работа содержит 144 страницы основного
текста, 25 рисунков и 5 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирова-
ны цель и задачи исследований, показаны его научная новизна и
практическая значимость, перечислены методы исследований, при-
ведены сведения об апробации работы и публикациях.
В первой главе вводятся основные понятия, рассматриваются во-
просы концептуального проектирования СФЗ, стратегии и тактики
защиты. Проводится анализ известных методов оценки эффективно-
сти и оптимизации СФЗ, обосновывается выбор метода решения за-
дачи оптимизации.
Под системой физической защиты понимается совокупность ор-
ганизационных и инженерно-технических мероприятий, направлен-

ных на пресечение угроз объекту со стороны вероятных внешних и
внутренних нарушителей.
Жизненный цикл СФЗ включает следующие основные этапы: раз-
работка концептуального проекта (КП), разработка технического за-
дания, рябочее проектирование, строительно-монтажные и пускона-
ладочные работы, эксплуатация, гарантийное и послегарантийное
обслуживание, вывод системы из эксплуатации.
Наиболее важным этапом является этап разработки КП, на кото-
ром решаются следующие задачи: определение целей защиты, пред-
метов физической защиты, анализ возможных угроз и разработка
моделей нарушителей, разработка стратегии и тактики защиты, раз-
работка структуры и состава СФЗ, оценка эффективности СФЗ и оп-
тимизация ее структуры по выбранным критериям и технико-
экономическое обоснование проекта.
На выбор критериев оптимальности СФЗ значительное влияние
оказывает принятая стратегия защиты. Стратегия, которая наиболее
часто применяется для СФЗ особо важных объектов, направлена на
обеспечение максимальной эффективности. Кроме того, может при-
меняться стратегия, направленная на обеспечение максимальной
средней эффективности на единицу затрат.
Получение объективных показателей эффективности СФЗ связано
с проблемами, характерными для сложных конфликтных систем с
антагонистическими интересами: наличие большого числа взаимо-
связанных элементов, принципиальная неопределенность из-за не-
полной информации о потенциальном противнике и его действиях,
многообразие условий функционирования системы.
Количественная оценка эффективности таких систем строится в
основном на использовании математического аппарата теории веро-
ятностей, теории множеств, методов имитационного моделирования.
Используются различные методы получения показателей эффектив-
ности: аналитические, статистические, экспертные и другие.
В работе проведен сравнительный анализ различных показателей
и моделей систем физической защиты. В основе большинства моде-
лей лежит модель EASI, предложенная Сандийскими национальны-
ми лабораториями (SNL) США. В данной модели в качестве показа-
теля эффективности используется вероятность пресечения несанк-
ционированных действий (НСД), которая определяется как вероят-

ность своевременного обнаружения НСД, т. е. обнаружение на таком этапе развития атаки, на котором время завершения НСД превышает время развертывания подразделения сил охраны (ПСО). На основе данной модели разработаны различные программные продукты оценки уязвимости СФЗ, позволяющие оценить эффективность СФЗ
как вероятность пресечения для каждого вида угрозы и предмета защиты, но не обеспечивающие получение интегрального показателя эффективности СФЗ. В наиболее общем виде показатель зависит от вероятности своевременного и достоверного об- наружения НСД, вероятности достоверной оценки тревожной ситуа- ции, вероятности достоверной передачи сигнала тревоги силам охра- ны, вероятности безотказной работы технических средств, вероятно- сти своевременного развертывания ПСО в точке перехвата после по- лучения сигнала тревоги, вероятности благоприятного исхода боево- го столкновения и других.
Другой подход, основанный на использовании ранговых коэффи- циентов, позволяет получить интегральный показатель эффективно- сти. Однако количественная оценка данного показателя на основе параметров СФЗ является достаточно сложной задачей.
Существуют различные способы оптимизации СФЗ, основанные на рассмотренных показателях эффективности: метод нормирован- ных частных производных, позволяющий достичь сбалансированно- сти СФЗ, метод линейной целевой функции, учитывающий категори- рование предметов защиты по важности, метод многорубежной мат- рицы угроз, основанный на экспертных оценках и другие. Кроме то- го, широкое применение находят методы, использующие программ- ные пакеты оценки уязвимости в сочетании с различными числен- ными методами, в частности, с методом динамического программи- рования (ДП).
Проведенный анализ позволяет уточнить требования к модели
СФЗ, показателям эффективности и методу оптимизации.
Вторая глава посвящена разработке математической модели сис- тем физической защиты особо важных объектов со сложной тополо- гией и получению интегральных показателей ее эффективности.
В общем случае система физической защиты представляется в виде трехэлементной системы, модель которой представлена на

рисунке 1. В модели СФЗ выделяются три подсистемы: объект защи-
ты, субъект угрозы и субъект защиты.
Основой системы является объект защиты, характеризуемый зна-
чимостью С - экономической мерой ущерба или потерь при полной
реализации угрозы. Объект защиты подвергается различным воздей-
ствиям со стороны других систем, в том числе и опасным, т. е. при-
водящим к недопустимому изменению его системных качеств.
Система, воздействия которой являются опасными, представляет
собой субъект угрозы, характеристикой которого является вероят-
ность возникновения угрозы Р. Снижение уровня опасного воздейст-
вия субъекта угрозы на объект защиты достигается применением-
подсистемы «субъект защиты». Показателем эффективности при
этом является отношение потенциала начального воздействия субъ-
екта угрозы 1 и итогового - 2. В качестве показателя эффективности
субъекта защиты W используется вероятность пресечения угрозы
субъектом защиты.
Интегральным экономическим показателем эффективности СФЗ
является риск от реализации угрозы R — количественная оценка веро-
ятностного ущерба при реализации атаки субъекта угрозы на объект
защиты через канал реализации угрозы при воздействии субъекта
защиты:
При оптимизации в зависимости от применяемой стратегии по-
строения для оценки качества СФЗ используются показатель эффек-
тивности
10

или показатель средней эффективности на единицу затрат
где - условная стоимость СФЗ.
Субъект защиты возлагает решение различных задач защиты на
отдельные подсистемы. Системные качества каждой подсистемы
оцениваются эффективностью субъекта защиты при решении
-й задачи . Рассматриваются два базовых варианта взаимодейст-
вия подсистем: параллельно и последовательно функционирующие
подсистемы защиты. В первом случае предотвращение угрозы дости-
гается при предотвращении угрозы хотя бы одной из подсистем за-
щиты, во втором случае - только при успешном выполнении своих
функций каждой из подсистем. Эффективность субъекта защиты
в целом определяется через эффективность совместного решения за-
дач защиты каждой подсистемой в соответствии с выражениями:
где - эффективность субъекта защиты с параллельно и
последовательно функционирующими подсистемами соответствен-
но.
Для построения модели СФЗ объекта со сложной топологией вы-
полняется декомпозиция модели СФЗ, представленной на рисунке 1,
на основе структуры объекта защиты. В модель включаются элемен-
ты объекта защиты и элементы внешней среды, оказывающие влия-
ние на уровень полезного системного качества объекта защиты и
связи между ними. Полученная модель задается конечным ориенти-
рованным мультиграфом представляющим собой двухполюсную
сеть:
(6)
где - конечное множество вершин графа - отображение
, заданное конечным множеством дуг
11