В статье авторами излагаются теоретические предпосылки для оценки показателей надежности устройств передачи сигналов (УПС) с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), предназначенных для повышения надежности связи, а также для определения маршрута телекоммуникационных сетей в составе волоконно-оптических систем связи.
Ключевые слова:ЭВМ, УПС, ПЛИС, надежность, отказ, сбои
По мереразвития инфраструктуры Республики Узбекистан увеличивается значение оптических систем передачи информации по каналам связи. Совершенствование систем автоматизированного управления на основе сетей ЭВМ, разработка высокоскоростных и интегральных сетей связи для передачи данных, документальных, факсимильных и речевой информации различной физической природы и качества, имеющей высокие технико-экономические характеристики. К таким характеристикам относятся высокая относительная скорость передачи и малое затухание по оптическим каналам различного качества, высокая и гарантированная надежность доставки сообщения по оптическим каналом связи.
Говоря о проблемах надежности, а именно о задаче ее предсказания и обеспечения в будущем, нужно иметь в виду все многообразие этой проблемы, начиная с проектирования, изготовления и испытания опытных образцов и кончая серийным изготовлением, приемкой готовой продукции и ее дальнейшей эксплуатацией. Таким образом, если проблему надежности применительно к какому-то конкретному техническому устройству рассматривать в целом, то следовало бы начать с изучения вопросов квалификации и изобретательности проектировщика, совершенства испытательной аппаратуры, методов измерения и обработки их результатов, а закончить исследованием технологии изготовления и условий эксплуатации готовой продукции.
Под надежностью обычно понимают способность элемента или устройства сохранять свои свойства при определенных условиях эксплуатации, что позволяет использовать элемент или устройства по назначению. Если эту совокупность свойств считать соответственно мерилом качества элемента или устройства, то надежность представляет собой характеристику качества, отнесенную ко времени или числу успешно выполненных операций. К числу выполненных операций надежность целесообразно относить в тех случаях, когда устройства или отдельные ее элементы по характеру своего назначения выполняют кратковременные задачи, бездействуя остальное время, так что успех выполнения каждой последующей операции в основном зависит только от суммарного числа подобных операций, выполненных ранее. Соответственно частичная или полная утрата указанных выше свойств, приводящая к невозможности выполнения элементом или устройством определенных функций, носит названия частичного или полного отказа элемента, или устройства.
Существует много причин, обусловливающих надежность элементов и устройств. Если провести классификацию этих причин, то первую группу составят ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении и монтаже оборудования. Ошибки, допущенные при конструировании, изготовлении и установке, обычно проявляются в ранний период эксплуатации, вызывая отказы так называемого инфантильного периода. Для этого периода в результате указанных ошибок характерен некоторый пик частоты отказов.
Другая группа факторов приводит к постепенному утрачиванию элементом или устройством ряда их функциональных свойств, или, иначе, износу. Процесс износа происходит под влиянием постоянно действующих факторов, имеющих и случайный, и детерминированный характер. В этом и состоит влияние условий эксплуатации. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Следует упомянуть еще об одной группе воздействий, обусловливающих отказы элементов и устройств. Их составляют непредвиденные и, вообще говоря, непредсказуемые воздействия обычно физического характера. Эти внезапные по своей природе воздействие даже при отсутствии у элемента или устройства видимых ухудшений функциональных свойств приводят к отказам, которые называют мгновенными или катастрофическими. Иногда результат таких воздействий обнаруживается по некоторому количественному признаку, связанному с возникновением отказов [1]. Этим количественным признаком служит постоянство во времени опасности отказов. Но для ряда устройств, как УПС с использованием ПЛИС содержащих разнотипные и разнородные по своему принципу действия элементы, такое постоянства может стать следствием проводимых замен и под регулировок, ставших «плохими» узлов, и отнюдь не исключает возможности постепенного старения отдельных элементов.
Перечисленные три группы воздействий приводят к необратимым изменениям свойств. Но существуют и такие воздействия, которые, не вызывая необратимых изменений в физической структуре элемента, проявляются в большинстве случаев кратковременного и только во время своего появления могут нарушить временно работоспособность элемента или устройства. Такие временные или самоустраняющиеся отказы именуются сбоями. Именно эти явления становится предпосылкой для оценки показатели надежности УПС с использование ПЛИС в составе волоконно-оптических системах связи. По этой причине анализируя существующих проблемы и на основе этих проблем ситуация вынуждает сконструктуировать высокоэффективных устройств. Со стороны ученым выдвигается научно обоснованные идеи и предложения, а также, предлагаются разработки, проекты, устройства и оборудования. Наряду с этим авторам предложено модифицированного варианта, устройство передачи сигналов, основанных на базе программируемых, логических, интегральных схемах на основе разработанного устройства передачи сигналов [2] позволяющие повысить надежность связи в современных телекоммуникационных сетях. Следовательно, необходимо будет оценить степень влияния ее на показатели надежности ВОСС при спектральном уплотнении, предложенным устройством. Для этого требуется произвести расчет и оценить интенсивности отказов, суммируя все однородные элементы (ИМС) и передающих и приемных средств, по следующим формулам [3]:
где: 
- интенсивности отказов блок элементов, «ПЛИС, блоки матрица произведений», «ПЛИС, блоки суммы матриц», «ПЛИС, матрицы произведений», «ПЛИС, матрица суммы» 
, и 
— интенсивности отказов приемника передатчика и передатчика соответственно.
Основной характеристикой надежности УПС является вероятность 
его безотказной работы в течение времени
.
Суммы интенсивности отказов равна: 
Учитывая суммы интенсивности отказов, т. е. числа отказов в единицу времени определяем вероятность безотказной работы в течение 2000 ч: 
Результаты расчета отказоустойчивости ПЛИС выполнены работе [3] Воспользовавшись ими и данными приведенными выше результатами расчета основных показателей и характеристик, определяющую среднюю интенсивность и вероятность безотказной работы базового варианта устройства, получим соответственно базового и модифицированных вариантах. Которые составляют соответственно:
Сравнение этих данных позволяет, судить о том, что при одинаковых отрезках времени (при т=2000 ч) вероятность безотказной работы модифицированного варианта выше, чем у базового варианта. Поэтому модификация базового варианта УПС значительно улучшает показатели надежности при использовании ПЛИС.
Для любой системы, одной из первых инженерных задач надежности является адекватное нормирование показателей надежности, например, в терминах требуемой готовности. Нормирование надежности — это установление в проектной или иной документации количественных и качественных требований к надежности. Требования по надежности относятся, как к самой системе и ее составным частям, так и к планам испытаний, к точности и достоверности исходных данных, формулированию критериев отказов, повреждений и предельных состояний, к методам контроля надежности на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, требования по ремонтопригодности могут включать в себя показатели стоимости и времени восстановления. Оценивание эффективности процессов технического обслуживания и ремонта является частью процесса FRACAS (failure reporting, analysis and corrective action system — система отчетов об отказах, анализа и коррекции действий).
Прогнозирование надежности является одной из наиболее общепринятых форм анализа надежности (reliability analysis). Прогнозирование надежности используется для оценивания проектных возможностей системы, сравнения альтернативных проектных решений, определения областей потенциальных отказов и контроля процессов повышения надежности.
Прогнозирование надежности играет большую роль в инженерной практике, в том числе и при планировании мероприятий по повышению показателей надежности. Повышение надежности может быть осуществлено как при проектировании, так и при производстве объекта, а также непосредственно при его эксплуатации. Основными методами повышения надежности являются резервирование, уменьшение интенсивности отказов элементов, уменьшение среднего времени восстановления, мероприятия по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта. Прогнозирование надежности позволяет также обосновать объем и номенклатуру запасных элементов. Существуют справочники и стандарты (например, MIL-HDBK-217, Bellcore/Telcordia для электронных изделий, NSWC для механических устройств), которые позволяют сформировать данные об интенсивности отказов или средней наработки между отказами (MTBF), которые используются в качестве входных параметров математической модели надежности системы. Для создания математической модели надёжности технических систем, наиболее часто используются программные средства, реализующие такие технологии, как анализ видов, последствий и критичности отказов (АВПКО), структурные схемы надежности(ССН) или деревья неисправностей. Прогнозирование надежности позволяет также обосновать объем и номенклатуру запасных элементов.
При анализе параметров системной надежности учитывается структура системы, состав и взаимодействие входящих в нее элементов, возможность перестройки структуры и алгоритмов ее функционирования при отказах отдельных элементов.
Наиболее часто в инженерной практике рассматривают последовательное, параллельное, смешанное (последовательно-параллельное и параллельно-последовательное) соединение элементов, а также схемы типа «K из N», мостиковые соединения.
По возможности восстановления и обслуживания системы подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, обслуживаемые и необслуживаемые. По режиму применения (функционирования) — на системы непрерывного, многократного (циклического) и однократного применения.
В основном в качестве параметра надежности используется среднее время до отказа (MTTF), которое может быть определено, через интенсивность отказов или через число отказов на заданном отрезке времени. Интенсивность отказов математически определяется как условная плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не произошел. При увеличении интенсивности отказов, среднее время до отказа уменьшается, надежность изделия падает. Обычно среднее время до отказа измеряется в часах, но также может выражаться в таких единицах как циклы и мили. В других случаях надежность может выражаться через вероятность выполнения задачи. Например, надежность полетов гражданской авиации может быть безразмерной, или иметь размерность в процентах, как это делается в практике системной безопасности. В отдельных случаях успешным результатом системы может являться едино разовое срабатывание. Это актуально для систем, которые рассчитаны на срабатывание всего 1 раз: например, подушки безопасности в автомобиле. В этом случае задается вероятность срабатывания или, как, например, для ракет, вероятность попадания в цель. Для таких систем мерой надежности является вероятность срабатывания. Для восстанавливаемых систем может задаваться такой параметр, как среднее время восстановления (ремонта) и время проверки (тестирования). Часто параметры надежности задаются в виде соответствующих статистических доверительных интервалов.
Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что в пределах заданной наработки или заданном интервале времени отказ объекта не возникает. Вероятность безотказной работы обратна вероятности отказа и вместе с интенсивностью отказов определяет безотказность объекта. Показатель вероятности безотказной работы определяется статистической оценкой:
,
где 
— исходное число работоспособных объектов, а 
— число отказавших объектов за время t.
Вероятность безотказной работы группы объектов равна произведению вероятностей безотказной работы каждого объекта в этой группе:
,
где n — число объектов в группе.
Плотность распределения времени безотказной работы — безусловная плотность вероятности отказов за бесконечно малый интервал времени.
Литература:
- А. Л. Райкин. Элементы теории надежности для проектирования технических систем. Издательство «Советское радио», 1967.
- Э. Б. Махмудов, Д. В. Протопопов и Э. Н. Биктимиров А.С 1688427. Устройство передачи сигналов. 1991 г.
- А. Л. Райкин Элементы теории надежности технических систем 1978 г.
