Помощь студентам в учебе
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СО СМЕШАННОЙ СТРАТЕГИЕЙ УПРАВЛЕНИЯ
|
Введение 7
1 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 12
1.1 Стратегии группового управления в мобильных
робототехнических системах 12
1.2 Примеры применения мобильных робототехнических систем . . . 17
1.3 Подходы к обеспечению информационной безопасности мобильных робототехнических систем и мультиагентных систем 17
1.4 Подходы к обеспечению информационной безопасности в рамках концепции «умного» города 24
1.5 Выводы по первой главе 28
2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В МРТС
НА ОСНОВЕ СМЕШАННОЙ СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ 30
2.1 Постановка проблемы обеспечения информационной
безопасности в мобильной робототехнической системе 30
2.2 Описание схемы функционирования модели полицейских
участков 31
2.3 Адаптация модели полицейских участков для мобильной
робототехнической системы 33
2.4 Оценка уязвимостей по методике Common Vulnerability Scoring
System 42
2.5 Выводы по второй главе 62
3 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 64
3.1 Описание подхода 64
3.2 Описание структуры разработанного симулятора 64
3.3 Описание условий экспериментов 66
3.4 Результаты экспериментов 68
3.5 Выводы по третьей главе 74
Заключение 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 79
Приложение
1 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 12
1.1 Стратегии группового управления в мобильных
робототехнических системах 12
1.2 Примеры применения мобильных робототехнических систем . . . 17
1.3 Подходы к обеспечению информационной безопасности мобильных робототехнических систем и мультиагентных систем 17
1.4 Подходы к обеспечению информационной безопасности в рамках концепции «умного» города 24
1.5 Выводы по первой главе 28
2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В МРТС
НА ОСНОВЕ СМЕШАННОЙ СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ 30
2.1 Постановка проблемы обеспечения информационной
безопасности в мобильной робототехнической системе 30
2.2 Описание схемы функционирования модели полицейских
участков 31
2.3 Адаптация модели полицейских участков для мобильной
робототехнической системы 33
2.4 Оценка уязвимостей по методике Common Vulnerability Scoring
System 42
2.5 Выводы по второй главе 62
3 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 64
3.1 Описание подхода 64
3.2 Описание структуры разработанного симулятора 64
3.3 Описание условий экспериментов 66
3.4 Результаты экспериментов 68
3.5 Выводы по третьей главе 74
Заключение 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 79
Приложение
Бурное освоение эры робототехники началось с развитием научно-технического прогресса в 60-е годы прошлого века и продолжается по сегодняшний
день. Однако, упоминания о роботах в литературе и массовой культуре появились
задолго до этого.
Первые произведения о «роботах» можно найти ещё в древнегреческой и
критской мифологии, например, в мифе о Талосе - бронзовом витязе, охранявшем
остров Крит. Упоминания о статуях различных богов с подвижными частями тела
встречаются и в произведениях поэтов различных древних государств, таких как
Древний Египет, Китай, Вавилон. В средние века начало появляться всё больше
упоминаний о создании механических фигур, напоминающих человека. С началом
промышленной революции во второй половине XVIII века и переходом от ручного труда к машинному, возникает необходимость создания новых механизмов и
устройств на их основе, способных выполнять работу самостоятельно. Созданные
в то время программируемые текстильные станки, способные с помощью перфорированной бумаги, а в дальнейшем с помощью сменных перфокарт, считывать и
выполнять определённые программы, заложили основы современного автоматизированного производства и определили дальнейший прогресс в области развития
промышленности и робототехники.
В конце XIX века эволюция в области электроники и электротехники стала катализатором к созданию различных автоматических устройств. Появление
абстрактной вычислительной машины, созданной Аланом Тьюрингом, послужило
прообразом будущих универсальных вычислительных устройств. В середине XX
века умозаключения о том, что процессы хранения, передачи и обработки информации в живых, социальных и машинных системах подобны, переросли в создание
новой ветви науки - кибернетики. В 1980-х на смену промышленным роботам
первого поколения, управление которыми было основано на программных алгоритмах пришло второе поколение роботов, обладающих датчиками, сенсорными
устройствами и системами машинного зрения. Такие роботы способны принимать
решения и действовать на основе данных, полученных из окружающей среды.
Современная робототехника изучает такие области науки и техники, как
создание, конструирование и сборка роботов, разработка систем управления как
роботом в целом, так и его отдельными элементами, возможность внедрения ро8
ботов в различные сферы человеческой жизни для решения различных задач,
комплексная автоматизация производства, основанная на применении робототехнических комплексов и т.д. На рубеже XX-XXI веков стартовала третья революция
промышленной робототехники, связанная с внедрением робототехники в различные сферы, в тот момент получили своё развитие интеллектуальные устройства в
составе мобильных автономных робототехнических систем (МРТС), применяемые
для решения сложных задач, требующих высокой надёжности [7].
Как правило, для решения большинства задач применяются одиночные роботы или их группы, в которых каждый робот независим от других. В первом случае
при увеличении сложности решаемой задачи встаёт вопрос об ограниченности ресурсов робота. Производится расширение функционала робота и соответственно
увеличение его сложности и стоимости. При таком подходе надёжность системы
обусловлена наименее отказоустойчивой составляющей, что делает её зависимой
от одного из компонентов робототехнического устройства, выход из строя которого может повлиять на функционирование всей системы. При использовании
второго подхода разделение подзадач происходит между группой самостоятельных роботов. Такие роботы являются относительно простыми, что положительно
сказывается на надёжности системы и её масштабируемости при усложнении решаемых задач. Для эффективного решения сложных задач широкое применение
получили группы взаимодействующих роботов, представляющие из себя интеллектуальные МРТС.
Мобильная робототехника - это область исследований, изучающая организацию частично или полностью автономных мобильных робототехнических
устройств, способных в определённых условиях выполнять свои функции без вмешательства человека-оператора [2]. Отличительной особенностью данной области
исследований от таких областей, как, например, машинное зрение или искусственный интеллект является ориентированность на решение проблем и выполнение задач, распределённых по местности функционирования. Фундаментальными являются такие задачи, как передвижение в пространстве, сканирование пространства
с помощью датчиков и сенсоров и получение информации об окружающей среде,
принятие решений на основе информации, полученной из окружающей среды.
В настоящее время МРТС находят широкое применение в различных сферах деятельности человека в целях автоматизации и оптимизации выполнения9
тяжелой и/или опасной для человека работы. Применение МРТС позволяет автоматизировать процессы в различных сферах. Мотивация для использования
мобильных робототехнических систем обусловлена следующими факторами:
— наличие враждебной окружающей среды, опасной для пребывания человека;
— задача слишком сложная или подразумевает несоизмеримо большие затраты
ресурсов и/или времени для выполнения человеком;
— наличие обстоятельств, не позволяющих выполнение задачи человеком (например, малые размеры территории функционирования, длительное нахождение
в безвоздушном пространстве).
день. Однако, упоминания о роботах в литературе и массовой культуре появились
задолго до этого.
Первые произведения о «роботах» можно найти ещё в древнегреческой и
критской мифологии, например, в мифе о Талосе - бронзовом витязе, охранявшем
остров Крит. Упоминания о статуях различных богов с подвижными частями тела
встречаются и в произведениях поэтов различных древних государств, таких как
Древний Египет, Китай, Вавилон. В средние века начало появляться всё больше
упоминаний о создании механических фигур, напоминающих человека. С началом
промышленной революции во второй половине XVIII века и переходом от ручного труда к машинному, возникает необходимость создания новых механизмов и
устройств на их основе, способных выполнять работу самостоятельно. Созданные
в то время программируемые текстильные станки, способные с помощью перфорированной бумаги, а в дальнейшем с помощью сменных перфокарт, считывать и
выполнять определённые программы, заложили основы современного автоматизированного производства и определили дальнейший прогресс в области развития
промышленности и робототехники.
В конце XIX века эволюция в области электроники и электротехники стала катализатором к созданию различных автоматических устройств. Появление
абстрактной вычислительной машины, созданной Аланом Тьюрингом, послужило
прообразом будущих универсальных вычислительных устройств. В середине XX
века умозаключения о том, что процессы хранения, передачи и обработки информации в живых, социальных и машинных системах подобны, переросли в создание
новой ветви науки - кибернетики. В 1980-х на смену промышленным роботам
первого поколения, управление которыми было основано на программных алгоритмах пришло второе поколение роботов, обладающих датчиками, сенсорными
устройствами и системами машинного зрения. Такие роботы способны принимать
решения и действовать на основе данных, полученных из окружающей среды.
Современная робототехника изучает такие области науки и техники, как
создание, конструирование и сборка роботов, разработка систем управления как
роботом в целом, так и его отдельными элементами, возможность внедрения ро8
ботов в различные сферы человеческой жизни для решения различных задач,
комплексная автоматизация производства, основанная на применении робототехнических комплексов и т.д. На рубеже XX-XXI веков стартовала третья революция
промышленной робототехники, связанная с внедрением робототехники в различные сферы, в тот момент получили своё развитие интеллектуальные устройства в
составе мобильных автономных робототехнических систем (МРТС), применяемые
для решения сложных задач, требующих высокой надёжности [7].
Как правило, для решения большинства задач применяются одиночные роботы или их группы, в которых каждый робот независим от других. В первом случае
при увеличении сложности решаемой задачи встаёт вопрос об ограниченности ресурсов робота. Производится расширение функционала робота и соответственно
увеличение его сложности и стоимости. При таком подходе надёжность системы
обусловлена наименее отказоустойчивой составляющей, что делает её зависимой
от одного из компонентов робототехнического устройства, выход из строя которого может повлиять на функционирование всей системы. При использовании
второго подхода разделение подзадач происходит между группой самостоятельных роботов. Такие роботы являются относительно простыми, что положительно
сказывается на надёжности системы и её масштабируемости при усложнении решаемых задач. Для эффективного решения сложных задач широкое применение
получили группы взаимодействующих роботов, представляющие из себя интеллектуальные МРТС.
Мобильная робототехника - это область исследований, изучающая организацию частично или полностью автономных мобильных робототехнических
устройств, способных в определённых условиях выполнять свои функции без вмешательства человека-оператора [2]. Отличительной особенностью данной области
исследований от таких областей, как, например, машинное зрение или искусственный интеллект является ориентированность на решение проблем и выполнение задач, распределённых по местности функционирования. Фундаментальными являются такие задачи, как передвижение в пространстве, сканирование пространства
с помощью датчиков и сенсоров и получение информации об окружающей среде,
принятие решений на основе информации, полученной из окружающей среды.
В настоящее время МРТС находят широкое применение в различных сферах деятельности человека в целях автоматизации и оптимизации выполнения9
тяжелой и/или опасной для человека работы. Применение МРТС позволяет автоматизировать процессы в различных сферах. Мотивация для использования
мобильных робототехнических систем обусловлена следующими факторами:
— наличие враждебной окружающей среды, опасной для пребывания человека;
— задача слишком сложная или подразумевает несоизмеримо большие затраты
ресурсов и/или времени для выполнения человеком;
— наличие обстоятельств, не позволяющих выполнение задачи человеком (например, малые размеры территории функционирования, длительное нахождение
в безвоздушном пространстве).
Данная работа посвящена повышению защищенности мобильных робототехнических систем с децентрализованным управлением. В работе проанализированы особенности обеспечения информационной безопасности в мобильных робототехнических и кибер-физических системах. В ходе анализа моделей, методов и
механизмов обеспечения информационной безопасности, был сделан вывод об отсутствии универсальных подходов к обеспечению информационной безопасности
в подобных системах. Также были проанализированы возможности использования
рассмотренных методов в контексте концепции «умного» города.
С целью повышения защищённости мобильных робототехнических систем,
автором работы предложена модель безопасного функционирования мобильной
робототехнической системы, основанная на модели полицейских участков. Проведённая оценка описанных уязвимостей по методике Common Vulnerability Scoring
System позволяет сказать о целесообразности предложенных механизмов защиты.
Для оценки целесообразности предложенных механизмов защиты были также использованы методы имитационного моделирования поведения системы в
условиях деструктивного информационного воздействия. Был разработан программный симулятор, позволяющий оценить влияние деструктивного информационного воздействия на систему с и без предложенных механизмов защиты.
Анализ результатов проведённых экспериментов позволяет сказать о том, что
предложенные в работе механизмы позволяют повысить эффективность работы
системы в условиях деструктивного информационного воздействия.
Полученные в ходе работы результаты могут быть использованы в области
исследования защищённости мобильных робототехнических систем и средств организации движения беспилотного транспорта.
Таким образом, все поставленные в ходе работы задачи выполнены, поставленная цель достигнута.
В качестве дальнейших исследований в данной области автором работы планируется разработка физической модели мобильной робототехнической системы
для проведения имитационного моделирования на реальных физических объектах
в условиях внешней среды реального мира.
механизмов обеспечения информационной безопасности, был сделан вывод об отсутствии универсальных подходов к обеспечению информационной безопасности
в подобных системах. Также были проанализированы возможности использования
рассмотренных методов в контексте концепции «умного» города.
С целью повышения защищённости мобильных робототехнических систем,
автором работы предложена модель безопасного функционирования мобильной
робототехнической системы, основанная на модели полицейских участков. Проведённая оценка описанных уязвимостей по методике Common Vulnerability Scoring
System позволяет сказать о целесообразности предложенных механизмов защиты.
Для оценки целесообразности предложенных механизмов защиты были также использованы методы имитационного моделирования поведения системы в
условиях деструктивного информационного воздействия. Был разработан программный симулятор, позволяющий оценить влияние деструктивного информационного воздействия на систему с и без предложенных механизмов защиты.
Анализ результатов проведённых экспериментов позволяет сказать о том, что
предложенные в работе механизмы позволяют повысить эффективность работы
системы в условиях деструктивного информационного воздействия.
Полученные в ходе работы результаты могут быть использованы в области
исследования защищённости мобильных робототехнических систем и средств организации движения беспилотного транспорта.
Таким образом, все поставленные в ходе работы задачи выполнены, поставленная цель достигнута.
В качестве дальнейших исследований в данной области автором работы планируется разработка физической модели мобильной робототехнической системы
для проведения имитационного моделирования на реальных физических объектах
в условиях внешней среды реального мира.