Анализ влияния показателей контролепригодности на надёжностные характеристики сетей передачи данных



В статье рассматриваются вопросы влияния показателей контролепригодности на надежностные характеристики систем передачи данных (СПД). Проведен анализ основных задач по обеспечению контролепригодности СПД и влияния объема встроенных средств контроля на показатели достоверности и безотказности систем передачи данных. Полученные результаты дают возможность оценить показатели контролепригодности на стадии проектирования систем передачи данных.

Ключевые слова: система передачи данных, СПД, надежностные характеристики, контролепригодность, показатели контролепригодности.

Как показывает международная и отечественная практика широкомасштабное использование информации и созданных на ее основе информационных ресурсов и внедрение их во все сферы жизнедеятельности общества, вызвали бурное развитие спроса на разнообразные услуги передачи данных (ПД).

Современные сети передачи данных (СПД), представляют собой сложные территориально распределённые технические комплексы, выполняющие важные задачи по своевременной и качественной передаче данных [1–3]. Современные прогнозы указывают на тенденцию превращения всех сетей телекоммуникаций в СПД, по которым будут передаваться любые виды сообщений (включая данные, речь, видео и мультимедиа), преобразованные в цифровые сигналы.

Одним из важных требований, предъявляемых к СПД является требование по обеспечению их надежности, которое означает, что сеть должна обеспечивать длительное функционирование с поддержанием всех оговариваемых характеристик в заданных пределах. Трудность решения этой задачи состоит в том, что непрерывное увеличение сложности современных СПД вызывает значительные трудности в достоверной оценке их технического состояния в условиях эксплуатации [1,2,4–6].

Основным критерием надежности СПД является коэффициент готовности:

,

который характеризует вероятность того, что система будет находиться в исправном состоянии в произвольно выбранный момент времени, где

T_н — средняя наработка на отказ;

T_В — среднее время восстановления.

Составляющими коэффициента готовности являются среднее время наработки на отказ T_н, характеризующее безотказность системы и среднее время восстановления T_В, которое характеризует ремонтопригодность.

Необходимо, особо отметить, что односторонняя ориентация при построении СПД только на достижение высокой безотказности в ущерб ремонтопригодности может не привести к повышению коэффициента готовности Кг, так как сложность обнаружения и поиска места неисправности в условиях эксплуатации СПД приводит к росту среднего времени восстановления [2,5,6]. Поэтому в условиях эксплуатации СПД важнейшим из двух составляющих коэффициента готовности является среднее время восстановления, которое определяется в первую очередь временем обнаружения (контроля) и временем поиска места неисправности (диагностика).

Одним из основных направлений работ является улучшение техническо-эксплуатационных характеристик СПД и ее технических средств путем улучшения показателей ремонтопригодности. В свою очередь, ремонтопригодность СПД в значительной степени определяется показателями контролепригодности, которые необходимо обеспечивать еще на этапе проектирования СПД [2,5,6].

Под контролепригодностью обычно понимают свойство СПД, характеризующее её приспособленность к контролю в процессе эксплуатации. Стадия проектирования СПД является стадией, на которой осуществляется формирование требований к контролепригодности и оценка показателей контролепригодности [9,10].

Рассматривая вопрос об уровне контролепригодности СПД, следует отметить, что решение этих задач должно вестись одновременно с разработкой самих технических средств СПД.

Основные задачи, решаемые на ранней стадии проектирования СПД по обеспечению контролепригодности, должны включать [6–8]:

– определение показателей, которые характеризуют контролепригодность;

– оценка показателей контролепригодности;

– разработка норм на показатели контролепригодности;

– формирование требований к контролепригодности.

СПД имеют множество технических состояний, которые можно рассматривать как совокупность подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств объекта, характеризующихся в определенный момент времени соответствующими признаками [1–3].

Каждое техническое состояние системыявляется некоторой функцией работоспособности в пространстве параметров состояния (относящихся к классу состояний

Информацию о текущем состоянии системы получают путем измерения выходных сигналов в выбранных контрольных точках.

Основная задача диагностики определение класса состояний в текущий момент времени осуществляется по решающему правилу

где мера сходства сравниваемых векторов.

В этой связи поиск разумного оптимума между полнотой охвата встроенным контролем СПД и объемом встроенных средств контроля является актуальной задачей. Учет влияния объема встроенных средств контроля на эксплуатационные характеристики системы позволит эффективно перераспределять ресурсы между встроенными и внешними средствами контроля и диагностики.

Существуют следующие параметры эффективности встроенных средств контроля [3,5,11]:

К_г — коэффициент готовности контролируемой системы со встроенным средствам контроля;

Р _обн — вероятность обнаружения неисправности контрольным устройством;

Р — проигрыш в безотказности контролируемой системы;

D — выигрыш в достоверности при использовании встроенного контроля;

Т₀ — среднее время наработки на отказ контролируемой системы со средством встроенного контроля;

Т_в — среднее время на восстановление контролируемой системы со средством встроенного контроля;

λ1 — параметр потока отказов той части оборудования системы, которая не охвачена встроенным контролем;

λ2 — параметр потока отказа той части системы, которая охвачена встроенным контролем;

λ0 — параметр потока отказов всей системы (λ0=λ1+λ2)

δ — величина объема встроенного контроля в процентах

Рис. 1. Граф состояний системы со встроенным средством контроля

В состоянии 1 система полностью исправна. Из состояния 1 система переходит в состояние 2 с интенсивностью λ₁ или состояние 1' с интенсивностью λ₂. Состояние 2 соответствует отказу той части оборудования, которая не охвачена встроенным контролем, состояние 1' соответствует отказу той части система, которая охвачена встроенным контролем. Из состояния 2 системы переходит в состояние 2' с интенсивностью μ=1/τ, где τ-среднее время поиска отказа оператором. Состояние 2' соответствует моменту окончания поиска неисправности оператором. Это состояние неустойчиво, так как из него система мгновенно переходит в состояние 4 с вероятностью α или в 5 с вероятностью 1-α, где α-вероятность правильного определения места неисправности оператором. Из состояния 4 система перейдет в состояние 1 с интенсивностью ω₂=1/τ_Y2;

τ_Y1, τ_Y2 — среднее время устранения отказа при правильном и неправильном определении его места. Состояние 1' так же неустойчиво. Из состояния 1' система мгновенно переходит в состояние 3 с вероятностью Р_ф — или в состояние 2 с вероятностью 1 Р_ф, где Р_ф — вероятность функционирования средства встроенного контроля. Из состояния 3 система переходит в состояние 3' с интенсивностью μ=1/τ₁, где τ₁ — среднее время поиска неисправности средством встроенного контроля. Из состояния 3' система переходит в состояние 6 с вероятностью α₁ или в состояние 7 с вероятностью 1-α₁, α₁ — вероятность определения правильного места отказа. Состояния 6 и 7 аналогичны состоянием 4 и 5, соответственно из них система также возвращается в состояние 1. На основании решения вышеприведенного графа получим выражение для коэффициента готовности системы со встроенным контролем

(1)

Проигрыш в безотказности контролируемой системы со средством встроенного контроля:

ΔР=|Р_ИСХР_К-Р_ИСХ|(2)

где Р_{ИСХ —} вероятность безотказной работы исходной системы со средством встроенного контроля.

Р_{К —} вероятность безотказной работы средства встроенного контроля.

(3)

где λ₀ — параметр потока отказов всей системы;

Q — интенсивность восстановления контролируемой системы.

Вероятность безотказной работы средства контроля:

Р_К = Р₁+Р₃(4)

Общее выражение проигрыша в безотказности контролируемой системы со средством встроенного контроля (5)

(5)

Выигрыш в достоверности при использовании встроенной системы контроля:

ΔD=Р_ОБН-Р_ИСХ(1-Р_К)-Р_ИСХР_КР_ОБН (6)

На основании вышеприведенных выражений приведены расчеты значений ΔD и ΔР в зависимости от объема средств встроенного контроля при различных значениях Р_обн и вероятности безотказной работы системы Р_исх. Графики зависимостей ΔР=f(δ) ΔD=f(δ), построенные по данным расчета приведены на рис. 2

На основании приведенных графиков можно получить зависимость эффективности величины встроенного контроля δ_опт системы от Р_обн и Р_исх (эффективная величина δ_опт находится в точке пересечения кривых ΔР = f(δ) и ΔD=f(δ) при постоянном значении вероятности обнаружения неисправности Р_обн.

Рис. 2. Грaфик зaвисимoсти D = f (δ %) и P = f (δ %) при P_обн = 0,7 и рaзличных знaчeниях P_исх гдe δ % — oбъём срeдств ВК с сaмoкoнтрoлeм

Рис. 3. Грaфикзaвисимoсти D = f (δ %) и P = f (δ %) при P_обн = 0,9

Из полученных результатов видно, что при малых значениях P_обн величины эффективного объема встроенного контроля большие, и при различных P_исх несколько отличны друг от друга — с увеличением P_обн снижается величина объема встроенного контроля, являющегося значением приближенно равное 30 %. нижней границей δ_опт можно считать величину приближенно равную 10 %. Таким образом эффективная величина средств встроенного контроля лежит в диапазоне от 10 % до 30 % от величины объема контролируемой СПД.

Заключение

Возрастающие требования к надежности СПД вызывают необходимость внедрения перспективных методов их контроля, поэтому целесообразным представляется использование встроенных средств контроля СПД. Из полученных результатов видно, что при малых значениях Р_обн величины объема встроенных средств контроля большие, и при различных Р_исх несколько отличны друг от друга — с увеличением Р_обн снижается величина объема встроенных средств контроля, являющегося значением приближенно равное 30 %. Нижней границей δ_опт можно считать величину приближенно равную 10 %. Таким образом эффективная величина встроенных средств контроля лежит в диапазоне от 10 % до 30 % от величины объема контролируемой СПД.

Литература:

1. Stallings W. Data and computer communications. Pearson Education, Inc. Pearson Prentice Hall, 2007.
2. Bestugin A. R., Bogdanova A. F., Stogov G. V.. Monitoring and Diagnostics of Telecommunication Networks — SPb: Politechnica, 2003. 174 p.: silt.
3. Aripov M. N., Prisyazhnyuk S. P., Sharifov R. A. Control and management in data networks with packet switching. Tashkent.: Fan, 1988. — 160p.
4. Джураев Р. Х., Джаббаров Ш. Ю., Умирзаков Б. М. Технологии передачи данных. Учебное пособие. Ташкент, 2008.
5. Арипов М. Н. Джураев Р. Х., Джаббаров С. Ю. Техническая диагностика цифровых систем. Учебное пособие Ташкент 2006
6. Zainalabedin Naabi, Digital System Test and Testable Design. Using HDL Model Sand Architectures 2011 Edition, Kindle Edition
7. Абдуллаев Д. А., Арипов М. Н. Основы эксплуатации систем передачи дискретных сообщений. — Т.: Фан, 1984 г.
8. Abramovici M, Breuer M.A, Friedman A. D. Digital Systems Testing and Testable Design. IEEE Press, Piscataway, New Jersey, 1994.
9. Moslem Amiri, Vaclav Prenosil. Digital Systems Testing. Verilog HDL for Design. a Embedded Systems Laboratory. Faculty of Informatics, Masaryk University. Brno, Czech Republic. 2014.
10. Jha N. K. and Gupta S. Testing of Digital Systems. Cambridge University Press 2003.
11. Breuer M.A, Friedman A. D. Digital Systems Testing and Testable Design. IEEE Press, Piscataway, New Jersey, 1994.