Разработка методик расчета показателей надежности телекоммуникационной аппаратуры

Актуальность работы. В последнее время все больше клиентов операторов связи ощущают растущую зависимость эффективности функционирования их бизнес-процессов от качества используемых в повседневной деятельности услуг связи. Это приводит с их стороны к необходимости предъявлять повышенные требования к качеству предоставляемых им услуг, заключая с оператором связи соглашение о качестве обслуживания (SLA).

Обеспечить требования SLA можно только в том случае, когда обеспечены соответствующие характеристики телекоммуникационной сети, зависящие, в том числе, от показателей ее надежности. Надежность — это собирательный термин, используемый для описания свойства готовности и влияющих на него свойств безотказности, ремонтопригодности, обеспечения технического обслуживания и ремонта.

Контроль параметров, характеризующих надежность телекоммуникационной аппаратуры, должен осуществляться на всех этапах жизненного цикла — от изготовления до эксплуатации, включая обеспечение показателей надежности в условиях хранения изделия.

Испытания на надежность сопряжены с огромными затратами и они тем выше, чем более высокие требования предъявляются к показателям надежности. При испытаниях на надежность различают ошибки контроля первого рода, когда исправное изделие признается неисправным и бракуется (ложная тревога). Ошибка контроля второго рода соответствует ситуации, когда неисправное изделие не обнаруживается системой контроля. Если большие значения вероятности «ложной тревоги» приводят к неоправданным затратам со стороны поставщика изделия, то большие значения пропуска бракованного изделия существенно сказываются на операторе, предоставляющем телекоммуникационные услуги. Не следует также забывать и о проблемах контроля надежности в условиях эксплуатации, когда требуется оперативно выявить неисправные блоки или типовой элемент замены (ТЭЗ) и оперативно его заменить. Здесь необнаружение неисправности может привести к простоям, которые чреваты как недополучением прибыли, так и потерей клиентов, а в современных условиях, и большими штрафными санкциями, вызванными нарушением SLA со стороны оператора.

Таким образом, вопросы повышения надежности и контроля параметров, характеризующих надежность, требуют непрестанного внимания, как со стороны поставщика телекоммуникационной аппаратуры, так и со стороны оператора и сопряжены с серьезными финансовыми затратами.

Следует заметить, что в ряде случаев контроль параметров характеризующих надежность в силу разных причин приходится осуществлять дистанционно, что в свою очередь, в условиях «ненадежного» канала, влияет на вероятность ошибки, как первого, так и второго рода.

Вопросом обеспечения надежности и разработки методик вычисления параметров, характеризующих надежность с учетом ошибок 1-го и И-го рода, посвящено множество работ, включая монографии и статьи. Это, прежде всего, работы таких авторов, как Зеленцов Б. П., Шерстнева О. Г., S Tastane, D Kapitano и др.

Диссертационная работа состоит из четырех глав, в которых рассмотрен комплекс вопросов, направленных на решение задач по контролю за показателями надежности. В ней использован многолетний опыт работы диссертанта по приемке и испытаниям аппаратуры, к которой предъявляются повышенные требования по надежности.

Перейдем к краткой характеристике материалов, изложенных в главах.

В первой главе рассмотрены проблемы, связанные с обеспечением качества услуг. Показана роль показателей надежности в системе качества предоставляемых оператором услуг. Выделен такой показатель качества функционирования сети как готовность, который определяется безотказностью, ремонтопригодностью и оргтехническим обеспечением обслуживания и ремонта. В главе приводятся методики и результаты расчетов и испытаний РЭА на надежность, выполненные под руководством и участии диссертанта. На основании результатов испытаний, сведенных в ряд таблиц сделаны выводы, послужившие основой для модернизации методик испытаний. Предложено использование «стресс-скрининга» и разработаны методики определения оптимальных режимов «стресс-скрининга». В частности: выбора уровней нагружения случайной широкополосной вибрацией, уровней нагружения при термоциклировании и электроиспытаниях. Дана технико-экономическая оценка «стресс-скрининга». В главе также рассмотрены виды контроля технического состояния телекоммуникационной аппаратуры. Поставлены задачи разработки моделей, позволяющих получить расчетные соотношения для определения показателей надежности с учетом ошибок контроля 1-го и И-го рода, отличающихся от известных учетом ряда существенных факторов. Рассмотрены подходы к вопросам дистанционного контроля, который может осуществляться на различных стадиях жизненного цикла ТКА.

Вторая глава посвящена разработке моделей и исследованию показателей надежности ТКА в условиях эксплуатации.

Для рассмотрения множества состояний, которые может принимать ТКА в процессе эксплуатации, разработана модель для достоверного комбинированного контроля. При этом под комбинированным контролем понимается использование непрерывного и периодического контроля. При составлении модели сделаны следующие допущения:

— ТКА находится в непрерывном использовании по назначению- -отказы, обнаруживаемые непрерывным и периодическим контролем, совместны;

— все события происходят в случайные моменты времени;

— время между событиями имеет экспоненциальный закон распределения.

Найдены выражения для следующих обобщенных характеристик надежности: среднего времени нахождения ТКА в работоспособном состояниисреднего времени нахождения ТКА в неработоспособном и заблокированном состояниисреднего времени нахождения ТКА в неработоспособном и незаблокированном состояниисреднего числа проверок, приходящегося на одно восстановлениеусловного коэффициента отказов.

В главе 2 также разработана модель для оценки характеристик надежности в условиях недостоверного комбинированного контроля. Недостоверность комбинированного контроля определяется наличием ошибок 1-го и П-го рода систем периодического и непрерывного контроля.

В отличие от известных моделей недостоверного контроля предлагаемая модель учитывает наряду с ошибками периодического контроля 1-го и И-го рода также ошибки непрерывного контроля 1-го рода и вызванные этой ошибкой новые состояния ТКА.

В заключение главы представлены рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА.

В главе 3 представлены соображения по выбору модели источников ошибок и подходы к выбору протоколов обмена данными в условиях дистанционного контроля показателей ТКА. Выведены формулы для расчета ошибок контроля 1-го и И-го рода с учетом недостоверной передачи данных о параметрах ТКА в пункт контроля при централизованном обслуживании. Обоснована целесообразность использования для дистанционного контроля системы передачи данных с РОС-АП.

В главе 4 представлена методика расчета характеристик протокола РОС-АП, отличающаяся от известных тем, что учитывается возможность необнаружения ошибок при декодировании. При определенных условиях плохое качество канала, незначительное число проверочных элементов в кодовой комбинации) неучет ошибок декодирования может существенно повлиять на значения вероятностей ошибок 1-го и П-го рода и другие показатели надежности ТКА.

Цель работы. Разработка методик расчета показателей надежности в процессе производства и эксплуатации телекоммуникационной аппаратуры (ТКА).

Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, марковских процессов и математического моделирования.

Научная новизна:

1. Разработана методика «стресс-скрининга», включающая в себя испытания на термоциклирование, случайную широкополосную вибрацию, электроиспытания при повышенной температуре, которая обеспечивает выявление скрытых дефектов при производстве изделий.

2. Разработана модель отказов и восстановлений ТКА, позволяющая уточнить значения показателей надежности ТКА в условиях достоверного комбинированного контроля. Модель учитывает время нахождения ТКА в неработоспособном состоянии в связи с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем, а также тот факт, что после отказа, обнаруживаемого только периодическим контролем, может произойти, как следствие, отказ, обнаруживаемый только непрерывным контролем.

3. Разработана модель отказов и восстановлений ТКА, охваченной недостоверным комбинированным контролем, отличающаяся от известных тем, что наряду с ошибками периодического контроля 1-го и П-го рода модель учитывает ошибки непрерывного контроля 1-го рода.

4. Разработана методика расчета вероятности ошибок контроля 1-го и 11-го рода, позволяющая учесть влияние необнаруженных ошибок при дистанционном контроле.

5. Разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) системы РОС-АП, позволяющая учесть при передаче информации по дискретному каналу, описываемому моделью Гилберта, вероятность появления необнаруженных ошибок.

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов.

Разработаны методики, обеспечивающие повышение надежности ТКА как в условиях производства, так и эксплуатации ТКА. Результаты исследований используются НИИЭП как на этапе проектирования изделий, так и их испытаний.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались диссертантом.

1. В управлениях ГРАУ, ВВС (г.Москва, 1995, 1996, 1999 гг.) и НИИ надежности в/ч 64 641 (г.Москва, 1992, 1993, 1999 гг.).

2. На конференциях: а) Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций». — Томск, 2003 б) Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций». — Новосибирск, 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. В их числе три статьи в сборниках Сибирского научного вестника (выпуски II -1998 г., III — 1999 г. и IV — 2000 г.), глава в учебном пособии (2004 г.), тезисы докладов (2003 и 2004 гг.), материалы диссертации также представлены в отчетах по НИР [7, 8,9].

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, четырех приложений и заключения. Содержит 146 страниц, 6 таблиц, 23 рисунка.

Список литературы

состоит из 60 наименований.

4.5. Основные результаты, полученные в четвертой главе.

1. Разработана методика анализа систем с обратной связью и адресным переспросом на основе аппарата Марковских цепей, учитывающая вероятность необнаружения ошибок в блоке и позволяющая получить зависимости вероятностей успешной доставки Руд сообщения и затрат Z^ на его доставку от длины сообщения при различных значениях внутренних параметров системы: длины блока, допустимом числе переспросов, и количестве блоков в пакете (я, /, N) — оценить диапазон длин сообщений, удовлетворяющих заданным требованиям по Руд и Z^ при заданных параметрах (п, I, N) — определить параметры системы (и, /, N), обеспечивающие заданные Руд при минимальных затратахоценить Руд для заданного диапазона длин сообщений при ограниченных затратах на доставкуоценить среднюю Руд и средние затраты.

Z? на доставку одного сообщения при известном законе распределения длин сообщений на входе системы передачи данных.

2. Разработана методика позволяющая вычислить вероятности успешной доставки Руд и затраты Z^ на доставку сообщения фиксированной длины от длины блока. Данная методика позволяет подобрать внутренние параметры системы для каждого сообщения в зависимости от его длины и параметров дискретного канала.

3. Разработаны программы вычислений ВВХ на базе предложенных методик, позволяющие находить зависимости ВВХ от параметров системы и дискретного канала.

Разработанные методика и программы позволяют оптимизировать параметры системы передачи данных с решающей обратной связью и адресным переспросом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Проведено обобщение результатов расчетов и экспериментальных исследований за период с 1982 по 1999 г., позволившее сформулировать требования на надежность к основным характеристикам узлов и устройств ТКА;

2. Показано, что использование метода «стресс-скрининга» позволяет существенно уменьшить число ранних отказов и, следовательно, увеличить надежность ТКА;

3. Разработана методика определения оптимальных режимов «стресс-скрининга» (выбор уровней нагружения случайной широкополосной вибрацией, выбор уровней нагружения при термоциклировании, выбор уровней нагружения при электроиспытаниях).

4. Разработана модель комбинированного достоверного контроля, отличающаяся от известных тем, что при ее построении учтено время нахождения ТКА в неработоспособном состоянии в связи с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем. Кроме этого также учтено, что после отказа, обнаруживаемого только периодическим контролем, может произойти, как следствие, отказ, обнаруживаемый только непрерывным контролем. Тогда ТКА заблокируется и попадет на восстановление с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем.

5. Разработана модель недостоверного комбинированного контроля, отличающаяся от известных тем, что наряду с ошибками периодического контроля I и II рода учитывается ошибка непрерывного контроля I рода, а также вызванные этой ошибкой, новые состояния ТКА.

6. Разработаны рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА.

7. Получены формулы для расчета вероятностей ошибок I и II рода после передачи результатов достоверного контроля по дискретному каналу с ошибками.

8. На основе аппарата Марковских цепей, разработана методика анализа систем с обратной связью и адресным переспросом, учитывающая вероятность необнаружения ошибок в блоке и позволяющая получить зависимости вероятностей успешной доставки Руд сообщения и затрат ZT на его доставку от длины сообщения при различных значениях внутренних параметров системы: длины блока, допустимом числе переспросов, и количестве блоков в пакете (п, /, N).

9. Разработана методика позволяющая вычислить вероятности успешной доставки Руд и затраты Z2 на доставку сообщения фиксированной длины от длины блока. Данная методика позволяет подобрать внутренние параметры системы для каждого сообщения в зависимости от его длины и параметров дискретного канала.

Разработанные методика и программы позволяют оптимизировать параметры системы передачи данных с решающей обратной связью и адресным переспросом.