Структурная надежность и живучесть сетей

Основные понятия и определения

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параме- тров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных

режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хране-

ния и транспортировки ( dependability, reliability ). Объектами могут быть разли-чные системы и их элементы, сооружения связи, узлы и линии связи сети, разли-чные детали и приборы. Элемент системы – это объект, представляющий отдель-ную часть системы. Система представляет собой объект, состоящий из совокуп-ности элементов, связанных между собой определенными отношениями и взаимо-действующими таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторо-го набора функций. Основными признаками системы являются: структурирован-ность, взаимосвязность составляющих ее частей, подчиненность всей системы определенной цели. Системы функционируют во времени и пространстве.

В зависимости от назначения объекта, выполняемых им функ­ций и условий эксплуатации различают несколько свойств объек­та, связанных с надежностью. К этим свойствам объекта относятся:

- безотказность - свойство непрерыв­но сохранять работоспособность в течение

заданного промежутка времени в определенных условиях эксплуатации

( failure-free operation);

- долговечность - свойство системы длительно сохранять работоспособность в

определенных условиях, что количественно характеризуется промежутком вре-

мени использования системы от начала эксплуатации до момента технической

или экономической нецелесообразности ее дальнейшего применения, с учетом

перерывов для технического обслуживания и ремонта (durability, longevity );

- отказоустойчивость – свойство объекта сохранять работоспособность при на-

личии в его составе поврежденных элементов (fault-tolerance);

- ремонтопригодность - возможность выполнения ремонта и технического обс-

луживания объекта (maintainability);

- восстанавливаемость - возможность обнаружения отказов и восстановления

работоспособ­ности объекта после отказа (restorability);

- сохраняемость - свойство объекта сохранять свои свойства при транспртиров-

ке или длительном хранение (storability).

В настоящее время все большее и большее внимания уделяют безопасности объекта, понимая под этим его свойством обеспечивать охрану случайностей и различных внешних воздействий (security).

Объект, в частности электросвязи, может находиться в следующих состоя-ниях: работоспособном, исправном, неработоспособном, неисправном.

Состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения ос­новных параметров в пределах, установленных нормативно-техни­ческой документацией (НТД), называют работоспособным, а состояние, в котором объект удовлетворяет указанным техническим требова­ниям, - его исправным состоянием. Понятие исправность шире, чем понятие работо-способность. Работоспособный объект, в отличие от исправного, удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают нормальную работу объекта для выполнения заданных функций. Состояние объекта, при котором он не способен полностью или частично выполнять требуемое предназначение называют неработоспособным, а состояние, при котором хотя бы один из элементов объекта не соответствует требованиям НТД, называют неисправным состоянием. Объект может быть работоспособным, но неисправным. Например, при механическом повреждении стоек оборудования, выходе из строя элементов сигнализации, повреждении изоляции кабеля и т.п., средства связи могут обеспечивать передачу информации по сети, хотя некоторые из укзанных выше элементов оборудования находятся в неисправном состоянии.

Работоспособность или неработоспособность объекта в общем случае могут быть полными или неполными. Полностью работоспособный объект обеспе-чивает в определенных условиях максимальную эффективность его применения. Эффективность применение в этих же условиях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значение ее показателей при этом находятся в пределах установленных для такого функционирования, которое считается нормальным. Частично неработоспособный объект может функции-онировать, но уровень его эффективности при этом ниже допустимого. Подобные ситуации возникают на сети электросвязи при отказах некоторых линий связи или узлов коммутации. Полностью неработоспособный объект не может быть использован по назначению. Состояние объекта, при котором невозможно его дальнейшее использование из-за нарушения требований безопасности или отклонения параметров от норм, установленных НТД, называется предельным состоянием. Признаки предельного стояния устанавливаются нормативно-техни­ческой документацией на данный объект. В связи со сказанным, важными являются понятия повреждение (damage) и отказа (fault, failure) объекта. Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности. Событие, заключающееся в нару­шении работоспособности объекта, называют отказом. Различают следующие виды отказов:

- Внезапные отказы, которые возникают в результате резкого скачкообразно

го изменения основных параметров под воздействием многих случайных

факторов. Например, обрыв кабеля связи.

- Постепенные отказы, которые характеризуются плавным ухудшением пара-

метров в результате изнашивания и старения элементов.

- Явные отказы, которые обнаруживаются при внешнем осмотре или включе-

нии аппаратуры.

- Независимые отказы, возникновение которых не связано с предшествую-

щими отказами других элементов.

- Полные отказы, приводящие к полному нарушению работоспособности сис-

темы (элементов).

- Устойчивые отказы, которые устраняются только в результате проведения

ремонта.

- Временные отказы, которые могут самопроизвольно исчезать без вмешатель-

ства обслуживающего персонала. Временные отказыназывают сбоями

( inerruption).

В зависимости от причин возникновения, отказы могут быть условно разбиты на три группы:

1. Конструкционные – отказы, обусловленные нарушениями норм и правил проектирования, ошибками разработчика объекта и т.п..

2. Производственные - отказы, обусловленные нарушениям технологического процесса изготовления или монтажа объекта.

3. Эксплуатационные – отказы, возникающие в процессе эксплуатации объекта. Например, вследствие старения оборудования, нарушений правил эксплуатации или влияния непредусмотренных внешних воздействий.

Все объекты, рассматриваемые в теории надежности, делятся на восстанавли - ваемые и невосстанавливаемые. В восстанавливаемых объектах, после возник-новения отказа (повреждения), происходит замена или ремонт отказавшего (пов-режденного) элемента. Невосстанавливаемый объект, в случае отказа, не подле-жит или не поддается восстановлению по техническим либо экономическим соо-бражениям. Невосстанавливаемый объект достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельно до-пустимого значения срока службы или суммарной наработки, устанавливаемой из соображений безопасности эксплуатации в связи с необратимым снижением эф-фективности использования ниже допустимой или в связи с увеличением интенсивности отказов. Один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосста-навливаемым. Например, аппаратура спутника связи на этапе хранения относится к восстанавливаемым, а во время полета в космосе - невосстанавливаемым.

Совокупность технических характеристик, количественным образом опреде-ляющих свойства объекта, характризующих его надежность, называются показателями надежности.

Для сетей связи, являющихся сложными многофункциональны­ми системами, состоящими из элементов (узлов, линий связи, систем передачи и другого обору-дования) разнородных по своим свойствам, показателям надежности, назначению, дате изготовле­ния, сроку ввода в эксплуатацию и т. п., можно выделить два осно-вных аспекта надежности, которые условно можно назвать аппара­турным и структурным [3]. Под аппаратурным аспектом будем пони­мать проблему надежности аппаратуры, отдельных устройств и их элементов, входящих в состав узлов и линий связи сети. Структур­ный аспект отражает функционирование сети в целом в зависимо­сти от работоспособности или отказов узлов (станций, пунктов) или линий (магистралей, пучков каналов сети), т. е. он свя­зан с возможностью существования в сети путей доставки инфор­мации. При этом под структурой сети понимается совокупность пунктов (узлов, станций и т.п.) сети и соединяющих их линий или каналов связи, в их взаимном расположении и с характеристиками по надежности, передаче и распределению информации. Надежность в этом случае будем называть структурной надежностью сети связи.

Учитывая многофункциональность сети, в которой при n уз­лах может быть организовано до n(n—1) межузловых связей, да еще разного вида (телеграф, теле-фон, звуковое или телевизионное вещание, передача данных и т. п.), определить, что следует понимать под отказом сети, т. е. определить, когда сеть в целом пере-стает выполнять свои функции, практически невозможно. Поэтому под отказом сети иногда понимают потерю связности узлов, т.е. невозможность передачи информации между узлами сети. Однако этот показатель может быть при­нят только в некоторых частных случаях, так как он не учитывает важности отдельных связей. В других случаях структурную надежность сети характеризуют некоторой «средней» величиной коэффициента го­товности связи или путей в сети для за­данных пар узлов. Более правильно, по-видимому, характеризо­вать надежность сети матрицей, вектором или перечнем показателей надежности линий или каналов сети или же для каждой пары пунктов сети - показателями надежности кратчайших или допустимых путей или всех воз­можных путей. Наконец, надежность сети может характеризоваться функциями (графиками) веро­ятностей того, что сохранится определенная часть из общего числа линий, пу-тей или линий связи.

В данных МУ будем относить понятие надежности к пу­тям или совокупностям путей между заданной парой пунктов (уз­лов), т. е. рассмотривать надежность связи между этими пунктами, считая, что известны показатели надежности линий и узлов сети связи, входящих в рассматриваемые пути.

Для связи между двумя фиксированными узлами (пунктами) в сети могут исполь­зоваться все возможные пути или, выбранное по какому-либо при­знаку, множество путей. Каждый путь при этом включает различное оборудование сети (станционное оборудование, оборудование систем передачи, линейно-кабельные сооружения и т.п.), че­рез которые он проходит.

Под показателем надежности пути (надежность пути) будем понимать вероятность того, что данный путь в про­извольный момент времени находится в работоспособном состоя­нии, а это означает, что работоспособным должно быть все оборудование, входящие в этот путь.

Надежность связи ( вероятность связности) будем оценивать вероятностью того, что работоспособным является хотя бы один путь из множества путей, которые могут быть использованы для связи заданного узла с другим узлом сети.

Отказом линии будем называть такое состояние, при ко­тором каналы, образующие рассматриваемую линию, либо полностью вышли из строя, либо их параметры настолько ухуд­шились, что практически их нельзя использовать (например, из-за больших помех, искажений, снижения уровня на приемном кон­це и т. п.) для данного вида связи.

Надежность линии – например, ве­роятность ее безотказной работы — определяется, с одной сторо­ны, аппаратурной надежностью ее элементов, а с другой, — меха­нической исправностью линейных сооружений.

Основными причи­нами отказов линий связи являются различные механические повреждения, возникающие при проведении строительных работ (до 60—65%) или вследствие стихийных бедствий (молнии, разливы рек, оползни — до 10—15%). Реже они являются следствием де­фектов монтажа или строительства этих линий (8—15%) или неаккуратной работы обслуживающего персонала (2—10%). Число и длительность таких повреждений в значительной степени зави­сят от типа и устройства линий, их географического положения, уровня организации эксплуатационной службы и длины линии связи.

Отказ узла — невозможность передачи через него информа­ции с входящих кналов на исходящие. Такой отказ эквивалентен одновременному отказу всех ли-ний связи, инцидентных (принадлежащих) этому узлу. Отказ происходит, как правило, в результате механических разрушений части или всего оборудования (в результате пожара, стихийного бедствия и т. п.). Отказ узла приводит к нарушению значительно большего числа путей, чем отказ линии. Однако вероятность отказа узла значит показатели значительно меньше вероятности отка-за линии. Часто предполагают, что вероятность отказа узла равна 0, т.е. считают,

что узлы абсолютно надежны.

На рисунке 15 представлены возможные причины отказа узлов или линий свя-зи, которые целесообразно учитывать при разработке сетей связи.

 

 

Рис.15. Возможные причины отказа узла или линии связи

 

С точки зрения надежности линии и узлы сети принадлежат к элементам с восстановлением. Исключение составляют некоторые объекты, в частности, ис-

кусственные спутники земли спутниковых систем радиосвязи. Процесс функ-ционирования восста­навливаемого элемента можно представить как последо-вательность интервалов времени работоспособных состояний и времени восстан-овления, включающих отказы и восстановление элементов (рис.16) Интервал времени работоспособного состояния объекта от начала эксплуатации до первого отказа называют наработкой на отказ. Интервал времени восстановления включает время, которое затрачивается на поиск неисправности, на ремонт (замену неисправных элементов), включение и т.п. Таким образом, время восстановления представляет то время, которое необходимо для того, чтобы объект из состояния отказа привести в состояние выполнения требуемых функций, т.е. в работоспособное состояние.

 

- интервал работоспособного состояния объекта;

- интервал восстановления объекта.

 

Рис. 16. Интервалы работоспособности и восстановления

 

В первом приближении интервалывремени и можно считать взаимно не-зависимыми случайными величинами, имеющими определенное распределение

со средним временем работоспособного состояния - То и временем восстановле-ния - Тв. Тогда:

- среднее время безотказной работы – То (среднее время наработка на отказ) рассчитывается по формуле: То = ;

- среднее время восстановления – Тв - по формуле: Тв = .

Под надежностью линии будем понимать вероятность нахождения линии в работоспособном состоянии в произвольный момент времени или математическое ожидание доли времени, в течение которого линия находится в исправном состо-янии­. Это определение эквивалентно понятию коэффициента готов­ности (availability function) – Кij л инии связи . Тогда: Кij = То / (То + Тв), или Кij = µ / ( + µ), где = 1 / То, отк/час - интенсивность отказов объекта;
µ = 1 / Тв, вост/час - интенсивность вос­становления объекта.
Вероятность отказа линии определяется по формуле: Коij = 1 – Кij. Аналогичным образом определяется коэффициент готовности i - ого узла связиКi.

Одним из основных количественных критериев надежности элементов или сис-тема также является вероятность безотказной работы. Эта величина представля-ет вероятность того, что время от включения элемента (системы) до первого отказа больше некоторой величины t. Если обозначить через случайный момент времени, когда происходит отказ после включения, то вероятность того, что эта случайная величина будет не меньше чем t и есть вероятность безотказной работы p (t): p (t)= P { ≥ t }, t ≥ 0.

Если под структурной надежностью обычно понимают надежность сети в нор-мальных условиях ее функционирования, то для определения особенностей функ-ционирования сети в чрезвычайных ситуациях вводят понятие живучесть сети связи (survivalability).

Этосвойство сети определяется, как возможность ее функционирования в фарсмажорных условиях (наводнения, землетрясения, умышленные повреждения средств связи и т.п.).Свойство живучести позволяет сложной системе, к которым относятся и сети связи, сохраняться в экстремальных для нее условиях, приспособиться к ним, изменяя поведение, структуру, зачастую и цель функционирования. В зависимости от класса систем, их сложности, степени организованности, а также от выбранного уровня анализа свойство живучести может оцениваться как надежность, отказоустойчивость, адаптивность и устойчивость. Понятия надежность и отказоустойчивостьрассмотрены выше. Устойчивость - свойство объекта возвращаться в начальное состояние после окончания вешнего воздействия. Адаптивность – свойство объекта приспо-сабливаться к изменяемым условиям внутренней и внешней среды путем использования различных механизмов приспособления, которые заложены в объекте.

Модели сети связи

При исследовании структурной надежности можно рассматривать две модели

сети: детерминированная сеть или сеть стохастическая (случайная) в зависи-мости от того, учитывается или игнорируется случайный характер внешних или внутренних воздействий на элементы моделируе­мой реальной сети связи.

Элементы детерминированной сети принимают абсолютно надёжными эле-ментами или абсолютно ненадежными. В стохастическойсети некоторые или все элементы (узлы или линии связи) обладают конечной надежностью pi (0< pi < 1), где pi вероятностный показатель надежности i - ого элемента сети. Теоретической основой для исследования сетей, как первого, так и второго типа, является теория графов, теория вероятностей, булева алгебра.

Теория графов позволяет разработать формальные приемы исследования стру-ктурной надежности сетей связи не зависимо от их сложности. Информацию, со-держащую в графе, можно представить алгебраической матрицей для последую-щей автоматизации исследований на ЭВМ. Для исследования детерминированной сети в качестве математической модели можно использовать простой, конечный ориентированный или неориентированный или смешанный граф G = (A, B), где A – множество вершин графа, а B – множество ребер графа. Каждому ребру сопоставляется не более двух вершин, которые называются концевыми. При этом вершины графа поставлены в соответствие узлам сети связи, а ребры графа – линиям связи.

Для исследования стохастической сети в качестве математической модели

используется простой, конечный ориентированный или неориентированный или смешанный взвешенный граф G'=(A, B, K). Как и в случае детерминированной сети, вершины графа поставлены в соответствие узлам сети связи, а ребры графа – линиям связи. Веса злементов графа (множество K ) представляют собой пока-затели надежности элементов сети связи, например, коэффициенты готовности соотвествующих элементов сети (рис.17).

 

 

Рис. 17. Математические модели стохастической сети

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: