Современные информационные технологии/ 4. Информационная безопасность
Д.т.н. Силаев
В.И.
Донецкий научно-исследовательский и
проектно-конструкторский институт «Автоматгормаш» им. В.А. Антипова, Украина
Обеспечение безопасности функционирования шахтных автоматизированных систем
Одним из основных направлений
деятельности по управлению предприятием является обеспечение безопасных условий
труда, безаварийности оборудования. Особенно остро эта проблема стоит на
угольных шахтах. Для ее решения внедрены и разрабатываются различные устройства
и системы контроля состояния объектов, внутришахтной среды, хода
технологических процессов с возможностью управления ими. Наиболее эффективными
являются созданные в последние годы
системы и средства автоматизированного управления и контроля безопасности,
использующие современные информационные технологии, которые за счет широких
функциональных возможностей и глубокой переработки поступающей информации
позволяют прогнозировать появление аварийных ситуаций и принимать оптимальные
управленческие решения [7]. Это в первую очередь,
комплекс аэрогазового контроля КАГИ, унифицированная телекоммуникационная
автоматизированная система УТАС, система комплексной безопасности СКБ [10],
система мониторинга работы очистного участка [9].
Для их надежного
функционирования необходима достоверная информация о состоянии контролируемых
объектов, получение которой является непростой задачей. Это обусловлено не
только наличием различного рода помех в каналах связи (например, от тиристорных
преобразователей), но и тем, что само средство обеспечения безопасности (СОБ)
может стать источником опасности. Это происходит при:
–
недиагностируемом
СОБ, его повреждении, в результате чего оно выдает неправильную, не
соответствующую ситуации информацию, сбои в формировании команд;
–
повреждении
канала связи, не приводящем к прекращению передачи информации, не искажающем
ее, устройствах преобразования, декодирования, представления, накопления и
хранения;
–
неправильной
эксплуатации СОБ, умышленном несанкционированном воздействии на него;
–
одновременном
наличии нескольких из указанных событий.
Известны различные способы
обеспечения безопасности и управления доступом в информационных системах.
Наиболее полно они описаны в [1] А.В. Васильковым и И.А.
Васильковым. Кратко рассмотрим некоторые предложения в этом направлении, сделанные
другими авторами.
О.В. Субботин [6] для
повышения достоверности информации в условиях помех разработал методику оценки
кодоимпульсных сигналов, основывающуюся на совместном анализе рабочих
характеристик приемника и энергетических показателей передаваемых сигналов,
использовал структурно-алгоритмические и программно-аппаратные средства. Показал,
что для устройств с одним передатчиком и одним приемником наиболее эффективным и
максимально помехоустойчивым является код с удвоением элементов. Разработал нерекурсивный
цифровой фильтр. Это позволило снизить вероятность ошибок первого и второго
рода более чем в 2 раза.
Иной способ обеспечения
безопасности информации, которая шифруется путем непосредственного
преобразования при помощи динамической хаотичной системы, использующей прямую и
обратную системы, предложил Кириченко В.В. [3]. Алгоритм шифрования основан на
использовании дискретного аналога динамической
хаотичной системы Лоренца. Для цифровой обработки информации
применяются, как правило, поля или кольца характеристики 2. Система шифрования
является симметричной, т. е. при расшифровке файла используется тот же ключ,
что и при шифровке.
Особенно жестко
требования обеспечения безопасности работ и снижения аварийности предъявляются
в угольной промышленности, где в последние годы произошли серьезные аварии с
тяжелыми последствиями, связанные с несовершенством оборудования, в т. ч.
средств контроля безопасности, ограниченностью информации, а также с
человеческим фактором – нарушениями технологии ведения работ,
несанкционированным воздействием на СОБ.
Поэтому в отрасли
широко ведутся работы, направленные на выполнение указанных требований. Это и
уже названные комплексы и системы (некоторые – КАГИ, УТАС выпускаются серийно),
аппаратура автоматизации различного оборудования [7]. Наиболее полно они
реализуются в создаваемой институтом Автоматгормаш им. В.А. Антипова
модульно-адаптивной прогностической системе управления шахтой МАСУШ [7, 8, 11].
Стратегические условия
работы в шахтах, большая роль человеческого фактора в обеспечении безопасности
труда обуславливают особенности конструктивного исполнения систем
автоматизации, алгоритмов их функционирования, способов защиты информации.
Разнообразие
организационных и управленческих структур шахт их производственного потенциала
обуславливает необходимость открытой иерархической структуры системы, ее
модульного построения, а высокая динамичность, случайный характер изменения и неопределенность
горно-геологических условий и внешней среды – ее адаптивность и необходимость
прогнозирования развития ситуаций. Функционирования МАСУШ, а также СКБ
осуществляется путем системного многофакторного анализа особенностей управления
шахтой в данных конкретных условиях и за счет обеспечения непрерывного
автоматизированного контроля и прогноза состояния оборудования, внутришахтной
среды и технологических звеньев шахты.
Система МАСУШ в
максимальном варианте состоит из 22 отдельных функционально автономных, но информационно
связанных модулей управления и контроля, в т. ч. она содержит модуль
противоаварийной защиты и пожаротушения, оценки состояния горного массива и
газодинамических явлений, а модули управления забойным оборудованием содержат
прогностические средства контроля предаварийных ситуаций.
Одним из наиболее опасных и тяжелых
по последствиям являются взрывы метана. Оценка вероятности появления
взрывоопасной ситуации в [7] представлена функционалом
Рво = f(PM3; РMT;
РМВП; РMC;Рпк;
Рио; Риф; Рит; Рисэ; Рв),
(1)
где РM3, РМТ, РМВП, РМС – соответственно вероятность
выделение метана в опасных концентрациях из добываемого угля, транспортируемого угля, из вмещающих пород,
суфляров;
Рпк – вероятность повреждения кабелей;
Рио – вероятность
повреждения взрывонепроницаемых оболочек;
Риф, Рит, Рисэ
– вероятность фрикционного искрения, теплового нагрева, появления статического
электричества;
Рв – вероятность снижения
скорости воздуха, приводящего к недостаточной скорости разряжения метана до
безопасной концентрации,
а среднее число взрывов в единицу времени равно
, (2)
где 
– интенсивность смены
промежутков «метан отсутствует» и «есть метан»;
– интенсивность
смены промежутков «есть метан» и «метан отсутствует»;
– средняя
продолжительность интервала от состояния «искры нет» до появления искры;
– средняя продолжительность интервала от
состояния наличия искры до состояния «искры нет».
Работоспособность системы и время устранения отказов в значительной
мере зависит от глубины диагностирования, под которой понимают среднее число
сменных блоков (узлов), с точностью до которых производится определение отказа.
, (3)
где Змд – стоимость
монтажно-демонтажных работ по замене блока и проверки правильности
функционирования системы;
b – коэффициент,
характеризующий эффективность вложения средств в повышение контролепригодности,
определяемый опытным путем и принимающий значения от 0 до 1,7;
За – стоимость системы-аналога
с глубиной диагностирования qа.
Способы
представления и защиты информации в шахтных системах и аппаратуре автоматизации
подробно описаны в монографии [7] и статьях [2, 4, 5]. Кратко опишем некоторые
из них.
В разработках головного института по автоматизации в угольной промышленности
«Автоматгормаш» используется высоконадежная перспективная наиболее приемлемая
по техническим, климатическим и конструктивным параметрам элементная база –
например, микропроцессорные многофункциональные интеллектуальные модули серии
І-7000, tCON, VisiGRAF, Bluetooht, интеллектуальные сенсоры, например,
пиротехнические преобразователи МТ4, газоизмерительные преобразователи польской
фирмы ЭМАГ типа МСО, МСО2, МСН, АСД-1, измеритель температуры на базе
волоконно-оптического термокабеля, а также жидко-кристаллические дисплеи. В
каждый модуль входит встроенный микропроцессор, обеспечивающий гальванически
изолированный ввод-вывод аналоговых и дискретных сигналов с дальнейшей их
нормализацией, фильтрацией, преобразованием в форму, пригодную для передачи по
последовательному каналу связи.
Наибольшее
распространение на шахтах Украины получила аппаратура автоматизации очистных
комбайнов со встроенным механизмом подачи. Это бортовая аппаратура, позволяющая
управлять машиной с 1-2 пультов местного управления и с носимого пульта радиоуправления
в зоне видимости (до 20 м).
Так комплекс
технических средств автоматизации комбайнов для выемки тонких пластов КУОК
представляет собой локальную сеть, которая состоит из вышеназванных модулей.
Связь по сети осуществляется с помощью стандартного интерфейса RS-485.
Каждый модуль имеет свой строго определенный адрес, назначаемый программным
путем.
На правом и
левом пультах управления комбайном отображается информация о контроле
целостности линий управления пультов, местонахождении комбайна (блок БДМК).
Бортовым
центральным модулем комплекса является контроллер І-7188, который
двухпроводной линии связи циклически опрашивает блок радиоуправления и все
модули І-7000 комплекса. После обработки полученной информации контроллер
выдает управляющие сигналы и посылает в пульты управления для отображения на
индикаторах БДМК информации л скорости подачи комбайна и трехзначные коды
выявленных отказов – 35 неисправностей и сбоев. Эта же информация передается на
окна панельного корпуса РРС-L127Т Advantech
пульта управления, расположенного на штреке; всего на его окна выводится 80
сообщений о неисправностях и стопах с их расшифровкой и рекомендациями по устранению.
При отказах,
грозящих повреждением комбайна, он отключается; при неопасных отказах –
останавливается. Информация о состоянии машины может быть вызвана на дисплей и
при отключенной сети.
Обмен
информацией между контроллером ЦПУ, а также центральным процессором системы
управления машиной и модулями ввода-вывода осуществляется в NSCII-кодах, т. е.
посылка представляет собой набор символьных рядов (байт) в формате ASCII. Центральный
контроллер посылает в сеть команду, формат которой имеет вид: признак команды,
специальный адрес модуля, к которому идет обращение; код команды, код «переведения
каретки». Ответ на запрос контроллер ЦПУ получает только в случае совпадения
его адреса и адреса, указанного в запросе, а также при условии исправности
канала связи; при этом выполняется команда.
Такой объем
информации и способ ее кодирования позволяют повысить безопасность эксплуатации
комбайна, его работоспособность, сократить время поиска и устранения отказов,
снизить аварийность и уменьшить последствия аварий.
Более сложными
по информационному обеспечению функционирования забойными объектами являются
автоматизированные крепи и угледобывающие комплексы. Эта сложность обусловлена
значительно большим объемом необходимой информации и комбинированной структурой
объектов – распределенными вдоль линии забоя секциями крепи (до 250) и
расположенными на штреках на протяжении до 100 м механизмами, устройствами,
аппаратурой управления, контроля и обеспечения безопасности.
Комплексно проблему безопасности
работ позволит решить система МАСУШ. Цель ее создания, перечень модулей и их
структура, выполняемые функции и задачи (в т. ч. принципиально новые), которые
она может решать, подробно описаны в монографии [7].
В последние
годы появились теоретические разработки, направленные на создание модуля
управления долговечностью оборудования на основе оценки остаточного технического
ресурса [12, 13], а также определились подходы к разработке портрета несанкционированных
воздействий на используемую в системе информацию, что обеспечит снижение
неблагоприятного влияния человеческого фактора на безопасность.
Оценка
остаточного технического ресурса основывается на определении коэффициента
ускорения отработки (затрат) технического ресурса [12]
, (4)
где Мэі и Мн – соответственно
эквивалентный момент і-го уровня нагрузки и номинальный момент;
tі и tp
– время
работы оборудования с і-м уровнем нагрузки и общее время работы под нагрузкой свыше
номинальной;
n – количество уровней нагрузки
свыше номинальной;
m = 3-10 показатель кривой Велера.
На
шахтах для повышения объема добычи угля из лавы или проведения горных выработок
часто эксплуатируют оборудование в режиме перегрузки привода. Но как показано в
[13] это не
оправдывается экономически в долгосрочно перспективе. Так, например, при 10%
перегрузке прирост скорости подачи очистного комбайна в зависимости от крепости
разрушаемого массива с учетом коэффициента машинного времени даже в высоконагруженных
лавах не превышает 8,25-11,2%, а даже при m = 3, ky =1,623.
Система
СКБ и МАСУШ обеспечивают прогноз появления опасных ситуаций при условии
поступления достоверной информации о состоянии объектов контроля. Но как уже
сказано эта информация может быть искажена, в т. ч. из-за несанкционированных
действий персонала, следствием чего на шахтах Украины были аварии с тяжелыми
последствиями.
Долговечность
оборудования можно повысить за счет снижения его аварийности путем определения
предаварийного состояния и прогнозирования его развития. Для этого разработан
алгоритм функционирования средств технической диагностики [14]. В его основу
положена известная зависимость степени износа зубчатых зацеплений от времени, основные
участки которой в первом приближении могут быть описаны следующими уравнениями:
участок
приработки
, d1 >0; 
; (5)
участок
равномерного износа
K1
>0; 
; (6)
участок
интенсивного износа
, K2 >0; d2 >0; 
; (7)
Согласно
исследованиям, проведенным институтом машиноведения им. А.А. Благонравова, НПО
Автоматгормаш и рядом других организаций
при стационарных нагрузках рассматриваемая зависимость почти однозначно
отображается в амплитудных значениях виброускорения. Это позволяет уравнения
(5)-(7) считать записанными относительно указанных параметров вибросигнала.
Продифференцировав
уравнения (6) и (7), получим:
для
участка равномерного износа
VА(t) = K1, t1
<t < t2, (8)
для
участка интенсивного износа
VА(t) = 
, K2d2 = K1; t > t2; (9)
откуда следует, что интенсивный
износ редуктора характеризуется И интенсивным ростом скорости изменения
амплитуды вибросигнала. Полученные выражения указывают на принципиальную
возможность разработки самообучающегося алгоритма прогнозирования, использующего
в качестве диагностического признака величину VА(t). Однако при этом потребуется
проведение эталонных иcпытаний для конкретизации понятия “интенсивный
рост скорости изменения амплитуды виброоигнала”. В этом плане более подходящей
является вторая
производная от уравнений (6) и (7). Действительно, для участка равномерного
износа аА = 0, а для участка интенсивного износа
аА = 
, (10)
т. е. отличие второй производной от нуля однозначно свидетельствует о предаварийном состоянии диагностируемого редуктора
Объем информации, получаемой современными системами автоматизации, при
соответствующей ее обработке позволяет распознавать некоторые виды несанкционированного
вмешательства персонала в работу системы, которые могут привести к снижению
безопасности работ или к серьезным авариям. Так, например, при блокировке
датчиков метана резко изменяется динамика их показаний, что необходимо
учитывать при разработке алгоритмов функционирования систем.
Выводы. В отрасли большое внимание уделяется
деятельности, направленной на повышение безопасности труда, снижение
аварийности оборудования и уменьшение последствий аварий, в т. ч. за счет
использования современных систем и средств автоматизации. Освоено производство
и ведутся работы по их созданию и повышению эффективности. Исследования в этой
области позволяет существенно расширить их функциональные возможности.
Литература:
1. Васильков А.В.
Безопасность и управление доступом в информационных системах / А.В. Васильков,
И.А. Васильков. – М.: ФОРУМ, 2010. – 386 с.
2.
Казаков В.В.
Экспериментальный образец шахтной компьютерной сети / В.В. Казаков, Т.Г. Зиновьева // Уголь Украины, 2006. – №92.
– С. 54-55.
3.
Кириченко В.В. Забезпечення
безпеки інформації в інформаційних мережах за допомогою динамічних систем //
Менеджер, 2011. – №2(56). – С. 176-180.
4. Силаев В.И. Обеспечение информационной
безопасности систем автоматизации для угольных шахт: матеріали за ІV міжнародна научна
практична конференція «Научне пространство на Европа-2008». – Том 29. – София: Бял Град-БТ 00Д, 2008. – С.
41-44.
5. Синенко В.В. Общешахтная компьютерная сеть
автоматизированной системы противоаварийной защиты / В.В. Синенко, Я.Л. Красік, В.И. Силаев и др. // Уголь Украины, 2004. – №8.
6. Субботин О.В. Повышение достоверности контроля
технологических параметров и быстродействия информационно-измерительных систем
прокатных станов: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук:
спец. 05.11.16 «Информационно-измерительные системы» / О.В. Субботин. – Донецк,
2000. – 17 с.
7. Курносов В.Г. Научные основы автоматизации в
угольной промышленности: опыт и перспективы развития: монография / В.Г.
Курносов, В.И. Силаев // Международный институт независимых педагогических
исследований МИНПИ-ЮНЕСКО, ОАО «Автоматгормаш им. В.А. Антипова». – Донецк:
Вебер (Донецкое отделение), 2009. – 422 с.
8. Сабынин А. В. Курносов В. Г. Вовченко А.
Р. Концептуальный поход к созданию
системы управления современной
шахтой. //Уголь Украины. – 2006. – №5. – С. 7-11.
9. Котлярский А.И. Система мониторинга работы
добычного участка /
А.И. Котлярский, В.И. Ревякин, Е.А. Жмакин, В.А. Гайдебура //Уголь. –
2009. – №5. – С. 20-23.
10.
Патент на корисну модель №37488. Автоматизована система
комплексної безпеки шахт / С.Б.Тулуб, І.О. Ященко, О.М. Брюханов та ін. – Бюл.
№22, 2008 р.
11.
Патент України №83927. Спосіб керування процесом
видобування вугілля у шахті та модульно-адаптивна прогностична система для його
здійснення / Я.Л. Красік, В.Г. Курносов, А.А. Вінарик та ін. – Бюл. № 16, 2008
р.
12.
Патент на корисну модель №49365. Пристрій контролю
залишкового технічного ресурсу обладнання / В.Г. Курносов, В.І.Сілаєв, А.А.
Вінарик, В.М.
Сірченко. – Бюл. №8, 2010 р.
13.
Силаев В.И.
Современные системы автоматизации шахт и многокритериальная оптимизация их
деятельности. Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників-2011”. – Дніпропетровськ:
Національний гірничий університет, 2011. – С. 81-90.
14.
Силаев В.И.
Алгоритм работы встроенного устройства вибродиагностики забойных машин / В.И.
Силаев, В.А. Резников, Л.П. Хорунжая // Шахтная автоматика: сб. научных трудов
– Гипроуглеавтоматизация, НПО Автоматгормаш. – М.: Гипроуглеавтоматизация,
1988. – С. 100-404.