Создание устойчивых и безопасных каналов передачи информации для управления робототехническими комплексами

[Admin]

Создание устойчивых и безопасных каналов передачи информации для управления робототехническими комплексами

Кудюкин В.В.
Хакиев З.Б.
Кукушкин С.С.


Ключевые слова:
передача информации в условиях помех, надежность передачи информации, представление данных образами-остатками, ограничения и возможности существующих информационных технологий
 

• 1 Введение
• 2 Предложения по разрешению отмеченных противоречий в активно развивающемся интенсивном направлении совершенствования ИТКС
• 3 Заключение
• 4 Список литературы

Введение

Полноценная реализация проекта «Цифровой трансформации ОАО «РЖД» требует разработки и внедрения современных инновационных решений для обеспечения необходимого уровня эффективности и безопасности выполнения соответствующих технологических операций на железной дороге. В условиях интенсификации объемов грузоперевозок и повышения скоростей движения поездов такие решения должны, прежде всего, базироваться на технологиях, предусматривающих вывод человека из производственного процесса, что позволит автоматизировать и повысить скорость выполнения технологических операций, а также снизить количество ошибок и травматизм при производстве работ, связанных с человеческим фактором.
В качестве таких технологий на железнодорожном транспорте наиболее перспективными являются использование технического зрения и искусственного интеллекта (ИИ) для организации беспилотного движения поездов, внедрение робототехнических средств для автоматизации технологических процессов на железнодорожных станциях.
Очевидно, что возрастают потребности в интеграции роботов и ИИ в инфраструктуру, а также к созданию устойчивых и защищенных каналов передачи информации на основе современных технологий (например, Интернета вещей). Надежные каналы связи являются критически важными, так как должны обеспечивать необходимый уровень безопасности при передаче управляющих сигналов и информационных сообщений между участниками информационного обмена (беспилотные поезда, робототехнические комплексы, автоматизированные диагностические средства и др.). Таким образом, вопрос поиска инновационных решений для организации устойчивых и защищенных каналов передачи информации в условиях использования «безлюдных» технологий на железнодорожном транспорте является особо актуальным.
Текущее состояние
Основная проблема передачи информации с использованием ин-фотелекоммуникационных систем (ИТКС) связана с обеспечением их комплексной защиты от помех, несанкционированного доступа (НСД) и информационно-технических воздействий (ИТВ). Основной недостаток существующего экстенсивного пути развития ИТКС связан с тем, каждое из рассмотренных направлений обеспечения безопасности при передаче и обмене данными развивалось и развивается изолировано друг от друга, использует различные теории и технологии, имеет свои приоритеты и предпочтения. Например, в шифровании с целью обеспечения информационной безопасности не поднимается вопрос качества получаемой информации. В этом случае говорят, что проблема обеспечения требуемых показателей достоверности и целостности информации - это удел обеспечения защиты передаваемых сообщений от помех. Но стремительный рост объемов и скоростей передаваемой информации приводит к объективному с позиций существующей теории итогу: увеличению вероятности искажения бит (Рб). Однако и избыточные помехоустойчивые коды, а также новые виды модуляции, которые используют для уменьшения Рб , имеют определенный порог работоспособности, например, Рб =10-2. При этом, чем дальше от него в сторону уменьшения Рб , тем выше положительный технический эффект в части повышения показателей достоверности и целостности получаемой информации. Если же он будет превышен, то их применение приведет к дополнительному ухудшению данных основных показателей ИТКС по сравнению с передачей информации примитивных информационных технологий. Получается (и это подкреплено проведенными многочисленными экспериментами), что при Рб > 10-2 использование обычного позиционного двоичного кодирования передаваемых сообщений взамен избыточных помехоустойчивых кодов и, например, относительной фазовой модуляции (ОФМ) (вместо квадратурной фазовой модуляции (КФМ) (в английской интерпретации - QPSK)) оказывается более предпочтительным техническим решением. Подтверждением этому могут быть системы управления оружием: у них применение избыточного помехоустойчивого кода ограничивается только задачами определения такого увеличения Рб , когда количество ошибок приема информации превысит некоторый установленный порог, например, Рб > 10-2. На таком принципе построена и работа датчиков ИТВ. И здесь также проявляется еще одна из особенностей, которая связана с работой ИТКС в условиях радиоэлектронного противоборства (РЭП). Можно не осуществлять простое (по замыслу) энергетическое подавление радиоканала передачи информации, а просто увеличить уровень ошибок в нем. В результате этого в новых условиях возможного применения ИТКС имеющиеся технологии избыточного помехоустойчивого кодирования и модуляции теряют свою прежнюю привлекательность.
Становится очевидным, что решение этой проблемы также не может быть обеспечено существующими экстенсивными методами. Необходимо более активно развивать интенсивное направление, ориентированное на поиск дополнительных резервов повышения эффективности, которые, прежде всего, заключены в разработке новых прикладных математических методов.

Предложения по разрешению отмеченных противоречий в активно развивающемся интенсивном направлении совершенствования ИТКС

Новые возможности появляются при использовании нетрадиционного представления получаемых и передаваемых сообщений х их образами-остатками bi, полученными в результате сравнений по модулю mi (mod mi).
х ^ b (mod mi) , (1)
Представленное аналитическое представление представляет собой сокращенную форму описания основной теоремы арифметики:
х = mi li + bi, (2)
где mi - делитель (модуль), на которое необходимо поделить делимое число х, l - неполное частное от деления, b - остаток.
Возможность реализации новых методов сжатия данных появляются уже при использовании следующей простейшей системы сравнений, поскольку в ней, по сравнению с представлением (2), отсутствует неполное частное li :
х = b1 (mod m1)
х=b2 (mod m2), (3)
Кроме того, в этом случае увеличивается минимальное кодовое
расстояние между переданными значениями в определенных локальных областях формируемой информации и обеспечивается возможность создания внутренней структуры данных, сообщений и сигналов. При этом ранее формируемая структура S включает в себя две составляющие, условно называемые внешняя (5(внеш)) и внутренняя ( С(внутр)):

Такое представление позволяет более точно определить те внутренние резервы повышения эффективности систем передачи информации, которые не были использованы. Ранее не учитывались специфические особенности передаваемой информации для повышения эффективности систем передачи данных (СПД), например, ее естественная избыточность. Кроме того, предлагаемый методический подход, предполагающий встраивание одной структуры (S (внутр)) в другую (S (внешн)), приобретает определяющее значение для обеспечения унификации различной аппаратуры, что особенно актуально в условиях различных ограничений на структуры формирования данных. Эти требования быть выполнены при формировании S (внеш), включающей в себя новую непозиционную структуру данных (S (внутр)), что продемонстрировано в качестве примера на рис. 1. При этом возможности проблемной ориентации ИТКС, реализующей экономичные адаптивные принципы организации передачи информации в условиях помех, обеспечивают за счет S (внутр). Появление такого подхода к формированию передаваемых сообщений оказывается незамеченным с позиций традиционно используемой структуры, условно названной внешней S (внешн), поскольку при этом разрядность представления ее слов и их местоположение внутри цикла или кадра остались неизменными. Поэтому приемная система, ориентированная на внешнюю структуру данных, не замечает их внутренние структурно-алгоритмические преобразования (САП). Для восстановления истинного значения данных в приемнике или в системе обработки принятой информации применяют в соответствии с предлагаемыми инновационными технологиями два режима декодирования, условно называемые «жесткий» и «мягкий». При этом необходимо отметить их принципиальное отличие от аналогичных по названию технологий при избыточном помехоустойчивом кодировании, в которых слова «жесткий» и «мягкий» применяются на символьном уровне.
При предлагаемом малоизбыточном и безызбыточном помехоустойчивом кодировании они использованы по отношению к N-разрядным сообщениям, состоящим из последовательности в N бит. При этом режим «жесткого» декодирования является универсальным, поскольку обеспечивает возможность восстановления истинного значения данных независимо от свойств передаваемой информации. Его основу составляет алгоритм китайской теоремы об остатках или его конструктивного аналога [1-5]. Достаточно высокий процент обнаружения и исправления ошибок при Рб > 10-2, который получают при использовании режима «мягкого» декодирования, связан с естественной избыточностью передаваемой информации - он будет тем выше, чем больше избыточность исходных данных. Поэтому процедура «мягкого» декодирования осуществляется под управлением «жесткого» декодера и работает с высоким коэффициентом полезного действия при передаче изображений, телеметрической, сигнальной и навигационной информации. В то же время режим «жесткого» декодирования не приводит к ухудшению показателей достоверности приема информации в условиях помех по сравнению с традиционным ее приемом в тех случаях, когда корреляционная взаимозависимость соседних значений контролируемых параметров или сигналов, формируемых извещателями, отсутствует. Новой возможности, связанной с обнаружением и коррекцией ошибок способствует выделение фрагментов значений контролируемого параметра или сигнала извещателя, заключенных между разрывами (рис. 2).

Подобные методы разработаны для обработки информации с целью удаления ошибок и искажений. Проведенные стендовые испытания для информации, характеризующейся присутствием в ней естественной избыточности, показали возможность исправления более 80% ошибок.

Заключение

В настоящее время разработано значительное множество инновационных технологий, способствующих развитию интенсивного направления совершенствования ИТКС. Есть фундаментальные результаты, которые связаны с поиском расширенного прикладного применения математической теории конечных полей Э. Галуа. В результате этого получена модернизированная его версия, основу которой составляет конструктивная теорема об остатках, в которой математический аппарат определения и использования мультипликативно-обратных величин заменен теорией делимости чисел и полиномов. Разработаны дополнительные технологии контроля достоверности и целостности переданной информации. Их основу составляют: сравнение конечных разностей одного порядка, которые определяют по отношению к последовательностям образов-остатков, полученных с использованием различных модулей сравнения, и «групповое свойство равноостаточности», которое получают на выделенных графических фрагментах (рис. 2) от деления результатов дополнительного помехоустойчивого кодирования на значение минимального кодового расстояния dmin.
Использование рассмотренных методов при управлении робототехническими комплексами, а также при организации беспилотного движения, позволит создать устойчивые и защищенные от помех и искажений каналы передачи информации, что является одним из важнейших условий цифровой трансформации железнодорожной отрасли.

Список литературы

1. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика: В 2т. - т.1: Методы и алгоритмы, классические и нетрадиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках.-М.: МО РФ, 2003. - 284 с.
2. Кукушкин С.С., Гладков И.А., Чаплинский В.С. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем - М.: МО РФ, 2008, - 327 с.
3. Кукушкин С.С., Захаров В.Н. «Математические и методические основы использования конструктивной теории конечных полей при обработке результатов измерений»// Измерительная техника, Стандарты, №10, 2006, - с. 18-22.
4. Кукушкин С.С. Модели векторного представления и нетрадиционного преобразования данных в системе остаточных классов // Измерительная техника, №3, 2007.
5. Кукушкин С.С., Гулый Н.Н. «Новые методы и технологии обработки видеоизображений при натурных испытаниях сложных технических систем»/ /Измерительная техника, Стандарты, №4, 2009, -с . 20-24.