автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Системно-структурная надежность больших морских информационных радиосетей

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСМОРФЛОТ

НОВОРОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи УДК 629.7.019.3;62-505.001

Лицкевич Александр Павлович

СИСТЕМНО-СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ БОЛЬШИХ МОРСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ РАДИОСЕТЕЙ

Специальность 05.12.17.- Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Научный руководитель В.В.Демьянов

д.т.н., профессор

Новороссийск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Общая характеристика работы............................5

1. Материалы по проблеме качества и надежности морских информационных радиосетей.

1.1 Требования ИМО к расположению базовых станций..................14

1.2. Требования к структуре сети..................................................16

1.3. Требования к надежности сети ГМССБ....................................17

1.4. Выводы............................................................................26

2. Разработка метода решения обратной задачи надежности сети ГМССБ.

2.1. Выработка критерия вероятности безотказной работы сети..........30

2.2. Разработка математической модели анализа и синтеза надежностных структур подсистем сети..................................40

2.3. Синтез надежностных структур на основе марковских процессов........................................................................44

2.4. Анализ надежности сети по синтезированной надёжностной

схеме базовой станции........................................................51

2.5. Выводы............................................................................56

З.Оценка влияния постепенных отказов на антенные сооружения подсистем сети ГМССБ.

3.1. Климатические особенности Новороссийского региона................57

3.2. Воздействия воздушного потока на антенно-мачтовые сооружения......................................................................62

3.3. Постепенные отказы антенно-мачтовых сооружений...................70

3.4. Долговечность антенного сооружения при ураганном ветре..........73

3.5. Выводы............................................................................76

4,Оценка постепенных отказов фидерных линий при воздействиях климатических факторов региона.

4.1. Влияние внешней среды на чувствительность радиоприемных устройств сети ГМССБ........................................................77

4.2. Имитационная модель для определения вероятности безотказной работы коаксиальной линии.................................................83

4.3. Выводы.............................................................................85

5.0бщий анализ надежности сегмента сети ГМССБ.

5.1. Анализ надёжности сети на нестационарных моделях...................86

з

5.2. Анализ надежности сети ГМССБ для экстремальных

обстоятельств...................................................................104

5.3. Выводы...........................................................................106

6. Имитационное моделирование условий эксплуатации сегмента сети ГМССБ.

6.1. Имитационно-эксплуатационная надежность невосстанавливаемых подсистем сети по внезапным отказам..................................108

6.2. Имитационно-эксплуатационная надежность невосстанавливаемых подсистем при старении.....................................................115

6.3. Имитационно-эксплуатационная надежность невосстанавливаемых подсистем сети по внезапным отказам и с учетом старения........121

6.4. Имитационно-эксплуатационная надежность восстанавливаемых подсистем сети................................................................125

6.5.Вывод ы...........................................................................129

Заключение.................................................................131

Приложение1...............................................................133

Литература.................................................................165

Введение

Общая характеристика работы

Актуальность задачи. В 1991 г. Россия подписала международные документы, регулирующие порядок судоходства в мире и определяющие современное развитие глобальной морской системы связи по безопасности и бедствию (ГМССБ) мореплавания, и взяла на себя обязательства перед мировым сообществом, в короткий срок до (1999 г.) обеспечить ввод в действие на юге России сеть ГМССБ на Черном и Азовском морях. Опыт создания таких морских систем связи в настоящее время в России отсутствует. В связи с этим возникла задача разработки эффективных методов реализации Федеральной программы по строительству сети ГМССБ, руководствуясь которыми можно было бы в установленные сроки с требуемым качеством ввести сеть в эксплуатацию.

Руководящие документы Международной морской организации (ИМО) ставят задачу обеспечения сети высоким уровнем надежности функционирования, как одним из ее важнейших показателей качества.

Вопросам разработки надежности структурно-сложных систем посвящены фундаментальные исследования Гнеденко Б.В., Рябинина И.А., Черкесова Г.Н., Левина В.И., Гадасина В.А., Лубкова Н.В., Полесского В.П. и др. В представленной работе требования к надежности развиваются до уровня критерия проектирования, предопределяющего структуру создаваемой сети ГМССБ. Развиваемый подход осуществляется путем постановки и решения обратной задачи надежности. Решение этой задачи достигается введением дополнительных концептуальных элементов и иной расчетной схемы по сравнению с традиционным анализом надежности сложных систем. Отличием схемы решения обратной задачи является то, что она начинается с определения критерия безотказной работы сети и последующего построения логической функции работоспособности системы (ФРС) и вероятно-

стной функции (ВФ) ее истинности. Вероятности состояний элементов подсистем описаны уравнениями Колмогорова, которые составлены по графам состояний избыточных элементов. Надежностная структура всей сети определена в соответствие с ФРС, в которой число состояний избыточных элементов подсистем задано в соответствии с принципом их минимальной избыточности. Проверка полученных результатов осуществлена на имитационных моделях.

Работа обобщает опыт создания сети в Новороссийском регионе Морской администрацией порта Новороссийск (МАПН), и даёт обоснование требуемой надежности сети. Выполненные научные исследования внедрены на объектах Новороссийского сегмента сети, первая очередь которой начала круглосуточные дежурства в прибрежных районах плавания А1 (с июня 1997 г.) от Анапы до Джубги, как того требует график ИМО для государств, подписавших соответствующие договоры.

Предлагаемое в работе решение обратной задачи надежности представляется весьма актуальным научным методом, с точки зрения практической реализации Федеральной программы сети ГМССБ на Юге России.

Объект исследования. Объектом исследования является морская информационная радиосеть, включающая региональные центры управления (РЦУС) и береговые станции (БС), объединённые в региональную сеть ГМССБ вдоль Черноморского побережья.

Предмет исследования. Предметом исследования является надежность сети ГМССБ Юга России.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических вопросов и технических принципов решения обратной задачи надежности морской информационной радиосети, основанных на построении логической функции работоспособности системы и вероятностной функции (критерия) ее истинности, введения ортогональной системы работоспособных состояний на базе марковских процессов, определяющих

характер наиболее вероятных отказов в сети.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы логико-вероятностные методы, теория марковских процессов, теория выбросов случайных процессов, оптимизация функций, численные методы, имитационное моделирование.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

- разработан критерий, определяющий нижнюю границу вероятности безотказной работы сети (критериальной вероятности);

- получена логическая функция работоспособности сети и вероятностная функция ее истинности;

- сформулирован принцип выбора минимально-избыточного числа работоспособных состояний;

- предложен принцип локальности взаимодействия подсистем сети с окружающей средой.

- обоснована математическая модель, реализующая логическую функцию работоспособности сети на ортогональной системе работоспособных состояний.

Практическая значимость. Разработанные методы внедрены в практику работы участка сети ГМССБ Юга России, который начал функционирование с июня 1997 года в морском районе А1 в зоне ответственности морской администрации порта Новороссийск, что подтверждено соответствующим Актом внедрения "Оптимальная расстановка береговых модулей сети ГМССБ" от 20.02.1998 г, МАПН, а также в учебный процесс НГМА научные исследования и разработки по системно-структурной надежности морских информационных систем связи.

Апробация работы. Основные теоретические результаты докладывались на международной конференции в г. Санкт-Петербурге (1997), на региональной конференции г. Новороссийска (1998), в монографии (см. [1]

глава 4).

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений, опубликованных автором в 12-ти работах, из которых одна книга (в соавторстве), 12 статей и докладов. Основная часть научных результатов, защищаемых в настоящей диссертации, получена автором самостоятельно, а часть - в соавторстве в пяти ОКР, что подтверждено соответствующим актом внедрения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 151 странице; содержит 25 рисунков, 3 таблицы, библиографию из 51 наименования.

На защиту выносятся:

1. Синтез надежностных структур морской радиосети методом решения обратной задачи надежности.

2. Критерий, определяющий нижнюю границу вероятности безотказной работы сети (критериальной вероятности).

3. Принцип выбора минимально-избыточного числа работоспособных состояний.

4. Принцип локальности взаимодействия подсистем сети с окружающей средой.

Морские информационные сети типа ГМССБ

В настоящее время разработаны и приняты важнейшие организационные и технические требования, определяющие в целом структурно-технический состав и эксплуатационные принципы функционирования мировой сети ГМССБ. Эта система предусматривает также использование ее для повышения надежности управления и эксплуатации судов и организации обмена частной информацией. Работы по совершенствованию ГМССБ проводятся на постоянной основе и находят свое отражение в резолюциях

международных организаций. Ниже приводится ряд конкретных результатов в ходе создания сети ГМССБ на Юге России (полученных совместно с ЦНИИМФом - С.-Петербург; ЮМГ - Геленджик; Морсвязьспутником -Москва; НГМА - Новороссийск) и первый опыт строительства базовых станций (БС) в зоне ответственности Морской Администрации порта Новороссийск. Во всем мы исходили из того, что основная задача функционирования ГМССБ заключается в срочной и надежной организации поисково-спасательных работ в районе бедствия с оповещением в возможно короткий срок всех судов морского района для принятия участия в скоординированной поисково-спасательной операции с минимальными затратами времени. Учитывая, что различные радиосредства, входящие в ГМССБ, имеют свои сферы применения, связанные с их техническими возможностями, требования к радиосистемам в зонах их ответственности определены следующим образом [1,2]:

Район А1 ("ближнее" и прибрежное плавание) - в пределах прямой видимости и зоны действия береговых УКВ станций (20 -30 миль).

Район А2 ("средние" дальности плавания в основном по внутренним морям) - в пределах зоны действия береговых ГШ станций (приблизительно 100-150 миль).

Район АЗ - в пределах зоны действия геостационарного спутника морской СВЧ-системы спутниковой связи (за исключением районов А1, А2 и приполярных районов выше +70° северной широты и ниже -70° южной долготы), который прикрывали средства традиционной КВ радиосвязи (они, вероятно, сохранят свое значение еще не менее 10-15 лет).

Район А4 включает остальные морские районы, находящиеся за пределами районов А1, А2, АЗ; в ближайшие 10-15 лет будет обслуживаться средствами КВ диапазона, скорее всего в рамках "временно глобальных" систем типа "Мэритекс" По требованиям документов ИМО к ГМССБ во всех районах плавания судовые системы связи должны обеспечивать по-

стоянную возможность оповещения о бедствии.

В ноябре 1991 года ИМО приняла Резолюцию А.704(17), касающуюся обеспечения радиослужбы по регламентам ГМССБ. В соответствие с этим документом:

"... Правительства должны установить индивидуально, либо в сотрудничестве с другими правительствами, такие береговые станции, которые необходимы для установления морского района или районов А1 или А2, либо обоих вместе, вблизи их побережий". Именно такая сеть должна быть построена на Юге России от Таганрога до Сочи. По указу Президента РФ от 28.11.91 г. "О реорганизации центральных органов государственного управления" ("Ведомости ВС РФ", ст. 1696) определено, что Министерство транспорта РФ является правопреемником Минморфлота СССР (п.9). Постановлением Правительства РФ от 17.12.1993 года (№ 1299) учреждены Морские администрации портов, на которые и были возложены все функции по обеспечению безопасности мореплавания и порядка в портах, включая надзор за соблюдением законов, правил и международных договоров РФ по торговому мореплаванию. В ноябре 1995 года Департаментом морского транспорта Минтранса РФ утверждено "Положение о создании зоны ответственности А1 в морских бассейнах Российской Федерации". В соответствие с этим положением ответственность за строительство береговых ПВ-УКВ-станций телефонии и цифрового избирательного вызова (ЦИВ) в ГМССБ в своих зонах ответственности возлагается на морские администрации портов (МАП).

По данным генеральной схемы береговых УКВ-ЦИВ станций, опубликованным ИМО в июне 1995 года, в настоящее время уже многие прибрежные страны покрыли свои побережья цепочками УКВ станций, обеспечивающих функционирование непрерывных морских зон А1 в районах своей ответственности. Следующим их шагом должно быть развитие районов А2. В 1995 года начата работа по созданию сети ГМССБ в Новорос-

сийском морском районе в зоне ответственности МАГТН, результаты которой обобщены в данной работе.

Постановка задачи надёжности сети ГМССБ Юга России

Метод обратной задачи надёжности морских информационных систем Обычная схема расчета надежности начинается с анализа объекта и условий его функционирования. На основании этого анализа в дальнейшем производятся доработки, обеспечивающие требуемую надежность. Для сложных систем это экономически нецелесообразный путь. В связи с этим для сложных систем, критерием проектирования которых является надежность, прежде чем проектировать сам объект необходимо разработать его надежностную модель. Отправной точкой при таком подходе является выработка количественного критерия, сверяясь с которым должна осуществляться разработка надежностных структур будущего объекта. Надежностный критерий должен вырабатываться на основе функционального назначения объекта. При этом расчетная схема надежности по структуре становится обратной по отношению к традиционной. Результатом решения задачи (обратной задачи) являются синтезированные надежностные структуры подсистем разрабатываемой сложной системы.

Многовариантная неопределенность обратной задачи сокращается поэтапным выбором моделей с заранее известными свойствами. В качестве предмодели, конкретизирующей схему решения обратной задачи надежности, выберем представление взаимодействия объекта и внешней среды в виде математической концепции "расслоенного пространства", формально обобщающей теории "полей" любой физической природы (в нашем случае полей климатического воздействия среды). Содержательная интерпретация задачи в терминах расслоенных пространств, как системной модели, позволяет определить "базу" расслоенного пространства как совокупность точек, являющихся локальными географическими зонами и пространство

"слоя" с "внутренними симметриями", как надежностную структуру исследуемого объекта. В этом случае коэффициенты связности расслоенного пространства интерпретированы, как характеристики калибрующего поля внешних воздействий; в рассматриваемой задаче это «потенциалы» климатические поля внешней среды.

Движения в расслоенном пространстве (от точки к точке в "базе", отождествляемой с пространством, точками которого являются географические районы сети) порождает отображение слоев друг на друга и интерпретируется как изменения надежностной структуры подсистем сети по географическим районам под действием климатического поля. Из этого подхода непосредственно вытекает вся специфика локального взаимодействия распределённого объекта и среды. Геодезическая линия в таком расслоенном пространстве (или последовательности базовых объектов сети) между заданными географическими пунктами и есть образ искомого надежностного проекта. При осуществлении такого проекта надежность, как следствие естественных свойств объекта, превращается в искусственно проектируемое сво