книги / Надежность и живучесть систем связи
..pdfД^7| НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
НАДЕЖНОСТЬ И ЖИВУЧЕСТЬ СИСТЕМ СВЯЗИ
Под редакцией Б. Я- Д у д н и к а
15
МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ»
1984
ББК 32.88
Н17
УДК 621.395.2.019.3
Б.Я Дудник, В. Ф. Овчаренко, В. К. Орлов,
Ъ.П. Филин, А. В. Холин, А. В. Шурмин
Р Е Ц Е Н З Е Н Т : К. А. МЕШКОВСКИЙ
Редакция литературы по электросвязи
Надежность и живучесть систем связи/Б. Я. ДудН17 ник, В. Ф. Овчаренко, В. К. Орлов и др.; Дод ред.
Б. Я. Дудника. — М.: Радио и связь, 1984. — 216 с., ил. — (Межнздательская серия «Надежность и -ка чество»).
70 к.
Приводятся методы и характеристики оценки надежности и живуче сти систем связи. Большое внимание уделяется вопросам построения систем связи с заданной живучестью. Приводится сравнительная оцеика методов анализа систем связи по критериям надежности и живучести.
Для инженерно-технических работников, занимающихся проектирова нием и использованием систем связи.
„ 2402040000-178 |
ББК 32.88 |
046(01)—84 |
6Ф1 |
© Издательство «Радио и связь», 1984
Предисловие
Связь, радиовещание и телевидение — неотъемлемые атрибуты жизни и деятельности советского человека, нашего общества в про цессе строительства коммунизма. Трудно переоценить роль этих вы дающихся достижений человечества в пропаганде марксистско-ле нинских идеи и проведении эффективной миролюбивой внеш ней политики Советского Союза. Поэтому КПСС и Советское пра вительство развитию связи уделяют неослабное внимание. Особую роль в развитии, связи в СССР сыграл XXIII съезд КПСС, принявший решение о создании в нашей стране Единой автомати зированной сети связи (ЕАСС), объединяющей общегосударствен-* ную и ведомственные сети и являющейся их основой. Это генераль ное направление в совершествовании системы связи страны под твердили и развили последующие съезды КПСС, а также ряд спе циальных постановлений ЦК КПСС и Совета'Министров СССР.
К настоящему времени уже реализована значительная часть дан ной долговременной программы: построены многоканальные ка бельные, радиорелейные и тропосферные магистральные линии свя зи; создана система спутниковой связи, почти все населенные пунк ты страны охвачены радио- и телевизионным вещанием, в значи тельной мере автоматизирована не только городская, но и между городная телефонная и телеграфная связь и т. д.
Выполнение указаний XXVI съезда КПСС об интенсификации экономики требует дальнейшего ускоренного развития связи во всех звеньях управления государством и народным хозяйством. В целях повышения оперативности и качества управления широко внедряются ЭВМ, создаются АСУ, разрабатывается единая госу дарственная сеть вычислительных центров. Все это не только уве личивает потребности в связи, в ее пропускной способности, но* и резко повышает требования к связи по ее устойчивости, т. е. со хранению работоспособности в реальных условиях функционирова ния с учетом всех неблагоприятных факторов эксплуатации и внеш ней среды. Эти требования необходимо реализовывать при проек тировании и строительстве новых магистралей, узлов, сетей и сис тем связи, а также путем разработки и внедрения целенаправлен ных мер повышения устойчивости существующих систем. При этом имеются /в виду как общегосударственная, так и ведомственные системы связи, базирующиеся на каналах ЕАСС страны.
Между тем методы анализа и особенно синтеза систем связи по их критерию устойчивости пока что разработаны слабо.
В научной литературе широко представлен математический ап парат по теории надежности технических объектов. Однако при анализе надежности больших систем возникают серьезные, подчас практически трудно разрешимые проблемы из-за трудоемкости расчетов. Что же касается живучести систем связи, то для ее ана лиза обычно применяют методы надежности, что приемлемо лишь в частных случаях. В общем же случае для этой цели необходим свой специфический аппарат, достаточно полно и объективно от ражающий особенности поражающих факторов и последствии их воздействия на систему связи.
В данной книге делается попытка рассмотреть проблемы на дежности и живучести систем связи с единых методологических позиций, максимально полно учитываются как их общность, так и существенные различия. Соответственно рекомендуются как об щие для них, так и особые показатели и критерии количественной оценки, а также методы их точного и приближенного расчета. Ос новные методы, обладающие в настоящее время минимальной тру доемкостью, доведены до машинных программ.
. В основу написания книги авторами положены собственные ме тодические разработки по. излагаемым вопросам, а также обобще ния отечественных и зарубежных публикаций по проблемам на дежности и живучести, часть из которых приведена в списке лите ратуры. Книга содержит 11 глав. Материал книги изложен так, что любая глава может быть понята независимо от других. Вместе С тем существенная преемственность между, главами есть, поэтому последовательное чтение книги облегчит уяснение ее содержания. Книга имеет практическую направленность, в ней, как правило, не приводятся доказательства используемых теорем и подробные выводы математических соотношений, рекомендуемых для инже нерных расчетов. Заинтересованный читатель может найти их в литературе, на которую делается ссылка.
Принятые обозначения .в основном соответствуют обозначениям, введенным в книге «Теория систем связи» под ред. В. Н. Рогин ского (М.: Радио и связь, 1981). Некоторые отступления от об щих обозначений оговариваются по тексту.
Авторами глав и параграфов являются: Б. Я. Дудник — гл. 1, § 10.2, В. К. Орлов — гл. 10, Б. П. Филин — гл. 8, А. В. Холин — гл! 7, А. В. Шурмин — гд. 2 — 6, 9. Совместно написаны: §1.5 —
В. Я. Дудником, |
А. |
В. Шурминым, § |
10.3 — Б. Я. Дудником, |
В. К. Орловым, |
§ 8.1, 8.2 — Б. Я. Дудником, Б. П. Филиным, гл. |
||
11 — А. В. Шурминым, В. Ф. Овчаренко. |
доктору техн. наук |
||
Авторы выражают |
признательность |
||
К. А. Мешковскому за ряд ценных замечаний и рекомендаций, вы сказанных им при подготовке материалов книги.
. Все замечания по книге просьба направлять в издательство «Ра дио и связь» по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693.
Авторы
I
Г л а в а 1. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ И СЕТЕЙ СВЯЗИ
1.1.Структура систем и сетей связи
Известно, что любая управляемая система содержит подсисте му, обеспечивающую обмен информацией между управляющим и исполнительными органами (системами). Такой подсистемой явля ется система связи. В современных больших многофункциональ ных системах связи для передачи (доставки) информации по на значению применяются электрические, почтовые и другие средства связи. Поэтому эти системы связи подразделяются на ряд под систем. В данной книге рассматривается подсистема электросвя зи.
Основные вопросы структуры сетей электросвязи освещены в [1—3]. В дайной книге им уделяется столько внимания, сколько необходимо для понимания излагаемых положений по их надеж ности и живучести.
Подсистема электросвязи, которую в дальнейшем для кратко сти будем именовать «система связи», как и любая другая сис тема, может быть расчленена на составные части — элементы. На иболее крупными элементами системы связи являются ее подсис темы — первичная сеть, вторичные сети и система управления, вы
деляемые по функциональному предназначению или |
их роли |
в |
обеспечении обмена информацией. |
|
|
Первичная сеть предназначена для образования каналов и трак |
||
тов между узлами (пунктами) связи, используемых |
вторичными |
|
сетями.' В общем случае она состоит из линий связи |
различной |
|
физической природы, систем передачи, отдельных каналов (трак |
||
тов), системы управления сетью (взаимосвязанных пунктов |
уп |
|
равления с кроссами и другим оборудованием). В частном случае система связи может не иметь своих собственных линий и систем передачи. Первичная сеть такой системы состоит из каналов, арен дованных у другой системы связи, а также системы управления — взаимосвязанных кроссов каналов. Среди существующих бистем связи встречаются и такие, у которых часть каналов и трактов обеспечивается собственными линиями, а часть — арендуется. В больших системах связи, например в ЕАСС страны, первичная сеть включает также сетевые узлы и станции.
В качестве линейных средств в первичной сети применяются кабельные, радиорелейные, тропосферные и спутниковые системы передачи, а также средства прямой радиосвязи различных диа пазонов волн.
Первичная сеть в решающей мере определяет ряд важнейших качественных характеристик системы связи, особенно ее надеж-
5
ность, живучесть, пропускную способность, а нередко и технико экономические показатели. В целях повышения эффективности сис тем связи при их разработке предусматривается создание в той или иной мере общей для них первичной сети. Первичная сеть ЕАСС создается в интересах сетей связи Правительства СССР и всех других органов государственного и народнохозяйственного уп равления, а также для удовлетворения потребностей населения
страны.
Вторичные сети системы связи — телефонная телеграфная, пе редачи данных и другие — создаются для непосредственного обес печения передачи или обмена заданными видами сообщений. Именно они доводят услуги связи до всех абонентов — пользова телей системы. Число вторичных сетей определяется числом видов информации,.заданных при проектировании системы.
Каждая вторичная сеть состоит из каналов первичной сети, ис пользуемых данной вторичной сетью, аппаратуры преобразования, обработки и ввода в канал связи сообщений данного вида инфор мации, устройств коммутации сообщений или каналов, а также сис темы управления. В зависимости от топологии взаимосвязи, между элементами системы (сети) она относится к тому или иному типу структуры. В данной книге рассматриваются в основном такие структуры, надежность и живучесть которых не могут быть вычис лены по формулам последовательного и параллельного соединений элементов. К ним относятся узловые структуры типов полносвяз ная сеть, «сетка» и др. 1[1]. Характерной особенностью этих струк тур является то, что любой сетевой (транзитный) узел сети обла дает рангом, как правило, больше двух, т. е. в него заходит не ме нее трех линий (ветвей) связи. При дальнейшем изложении будем предполагать, что сетевые узлы связи размещаются обычно вне крупных населенных пунктов на пересечении магистральных линий связи.
Важным элементом структуры системы наряду с сетевыми уз лами и линиями связи являются оконечные узлы связи. Оконечный узел связи обычно предоставляет пользователям все виды услуг, обеспечиваемых вторичными сетями данной системы. Основными структурными элементами оконечного узла проектируемой ведом ственной системы связи могут быть: пункт или станция каналообразования (системы передачи, кросс каналов), станции (пункты) телефонной, телеграфной, факсимильной и других видов связи — по числу проектируемых вторичных сетей, радиоузел (передающий и приемный радиоцентры), станция спутниковой связи, абонент ская сеть узла, пункт управления узла, станция электропитания. При небольшом количестве аппаратуры отдельные элементы узла могут объединяться в один комплексный элемент, например может создаваться телефонно-телеграфный пункт связи и т. п.
Станция каналообразования и пункты, непосредственно связан ные с абонентами, — телефонный, телеграфный, передачи данных и другие — обычно располагаются в непосредственной близости от тех органов управления, которые они обслуживают. Если станции
каналообразования предназначены для пользования населением, то они располагаются в центре соответствующего населенного пункта. Часть узла связи, включающую указанные выше элементы, в даль нейшем будем именовать ядром узла. Остальные элементы оконеч ных узлов, размещаемые вне населенных пунктов или в значитель ном удалении от ядра узла, — передающие радиоцентры и отдель ные радиостанции, станции спутниковой связи и другие — будем именовать вынесенными элементами узла.
В общегосударственной системе связи, обслуживающей и на родное хозяйство, и население страны, сложилась несколько иная структура оконечных узлов [4]. Главное отличие заключается в том, что в городах наряду с ядром узла и абонентской сетью создается ряд пунктов связи общего пользования, предоставляющих услуги населению., по пользованию телефонной, телеграфной и другими видами связи, в крупных городах создается также сеть городских АТС.
Характерная черта развития узлов и систем связи в целом— углубление интеграции их элементов. Ярким примером является создание в стране ЕАСС как базы всех ведомственных систем связи. Построение ведомственных линий связи допускается только в тех случаях, когда на некоторых направлениях не могут быть предоставлены каналы связи в рамках ЕАСС, а строительство общегосударственных линий на. этих направлениях в данный пе риод нецелесообразно.
Переход в дальнейшем на дискретные каналы и цифровые мето ды связи будет стимулировать объединение вторичных сетей связи на основе единых общих для них пучков импульсных каналов. Соот ветственно будут создаваться предпосылки и для интеграции эле ментов узлов связи — телефонных, телеграфных станций и др.
Из приведенных сведений о структуре системы связи видно, что ее элементы находятся во взаимной связи, а следовательно, их отказы или повреждения могут быть взаимно коррелированы. Так, при выходе из строя кабельной магистрали прекращаются связи вторичных сетей по всем ее каналам; разрушение сетевого узла на рушает связи по всем заходящим в- него магистралям; при отказе общего коммутационного устройства вторичной сети теряются связи этой сети; поражением ядра оконечного узла (сетевой станции или пункта каналообразования, кроссовых и коммутационных устройств и других -элементов) выводятся из строя все связи, которые им и через него обеспечиваются. Все эти взаимосвязи существенно влия ют на методы расчетов показателей надежности и живучести, на способы их повышения, поэтому мы к ним еще вернемся в последу ющем изложении.
1.2.Многополюсные и двухполюсные системы (сети) связи
Эти понятия тесно связаны со структурой системы управления, которую обслуживает система (сеть) связи. При наличии в систе ме управления только двух органов (вышестоящего и кижестоя-
7;
щего) система (сеть) связи двухполюсная (ДС на рис. 1.1). Если же органов управления больше двух и при этом они пространст венно рассредоточены так,, что связь каждого обеспечивается сво им оконечным узлом, то система связи данной системы управле ния относится к классу многополюсных (МС на рис. 1.2). Отсюда
следует, что полюс системы или сети |
связи — это |
оконечный |
узел |
или пункт (станция) вторичной сети, |
посредством |
которого |
осу |
ществляется взаимодействие с обслуживаемыми органами управ ления или пользователями связи. -
Г Оконечные средства связи |
“ ~Т |
|
||
Орган |
_ |
J |
I О рган |
|
Упр-1 I |
□ _ _ _ ш |
_ J_ Q |
I упр.2 |
|
1 " |
|
|
|
|
|
Д вухполю сная система связи (ДС) |
__| |
|
|
Рис. 1.1. Структура двухполюсной системы связи |
|
|
|
|
Разбиение всего множества систем (сетей) связи на |
два |
клас |
||
са — многополюсные и двухполюсные — является |
условным |
мето |
||
дическим приемом, облегчающим разработку и уяснение теории их Надежности и живучести. Двухполюсные системы связи в чистом виде встречаются редко. Вместе с тем в практике нередко возни кает' необходимость оценки надежности или живучести связи на том или ином информационном направлении обслуживаемой си стемы управления, т. е. между определенной .парой полюсов мно гополюсной системы связи. В этом случае также целесообразно использовать понятие двухполюсной сети как части многополюсной
Рис. 1 2 . К понятию многополюс |
Рис. 1.4. Фрагмент МС—ДС У-К1— |
ной системы связи |
У.К4 |
сети, участвующей в обеспечении связи «а данном информацион ном направлении. Разумеется, такие двухполюсные сети связи информационных направлений, как правило, включают в себя часть общих элементов, т. е. по надежности и живучести являются взаимозависимыми (рис. 1.3, 1.4). Это обстоятельство следует учи тывать и при выработке типовых показателей надежности и жи вучести систем связи, и при выборе математическрго аппарата для их расчета.
1.3.Понятия и количественные показатели надежности
иживучести систем (сетей) связи
РАЗЛИЧИЯ ПОНЯТИЙ НАДЕЖНОСТИ И ЖИВУЧЕСТИ СИСТЕМ (СЕТЕЙ) СВЯЗИ
Оба понятия связаны с работоспособностью системы связи во времени, т. е. выполнением заданных функций в установленном объеме на требуемом уровне качества в течение определенного пе риода ее эксплуатации или в произвольный момент. Различия этих понятий обусловлены прежде всего различиями причин или фак торов, нарушающих нормальное функционированиесистемы, и характером нарушений.
Надежность системы связи i[4] есть ее свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени значения установленных показателей качества в заданных условиях эксплуатации. Она-отражает влия ние на работоспособность системы главным образом внутрисистем ного фактора — случайных отказов техники, вызываемых физико химическими процессами старения аппаратуры, дефектами тех нологии ее изготовления или ошибками обслуживающего персо нала.
Живучесть же характеризует устойчивость системы связи про тив действия причин, лежащих вне системы и приводящих к раз рушениям или значительным повреждениям некоторой части ее элементов — узлов, пунктов, станций и линий связи. Все причины можно разделить на два клаоса: стихийные и преднамеренные. К стихийным факторам относятся такие, как гроза, землетрясение, оползни, разливы рек и т.'п., а к преднамеренным — огневые, в том числе л ракетно-ядерные, удары противника в условиях вой ны, вражеские диверсионные действия и др.
Различия в причинах нарушения связи обусловливают сущест венные отличия в их проявлении, характере и масштабности на рушений связи, их продолжительности, путях и способах их устра нения и повышения устойчивости системы. Если поток случайных ■отказов техники приводит к нарушению лишь отдельных связей и обладает свойством ординарности (малая вероятность одновре-» менного отказа нескольких связей), то нарушения работы системы указанными выше факторами живучести обладают существенно
9
иными свойствами. Особенно это характерно для преднамеренно го поражения системы, когда одновременно может выводится из строя значительная часть или даже вся система связи. Интервалы между воздействиями факторов живучести на систему связи не под чиняются экспоненциальному закону, что характерно для случай ных отказов аппаратуры, а преднамеренные воздействия против ника, кроме того, не являются и случайными. Нарушения рабо ты отдельных связей из-за случайных отказов или ошибок обслу живающего персонала обычно кратковременны, так как они в большинстве случаев быстро устраняются, что же касается нару шений связи из-за разрушения отдельных ее элементов — узлов, линий, то они несравненно более продолжительны. Если первые исчисляются обычно минутами или десятками минут, то вторые — часами и сутками, поскольку это связано с большим объемом вос становительных работ.
В силу небольших перерывов связи из-за случайных отказов многие даже весьма важные связи могут обходиться без резерви рования. С учетом же аспекта живучести без резерва не обойтись, так как обслуживаемые процессы управления, как правило, не допускают столь длительного отсутствия связи.
Случайные отказы характерны для отдельных устройств, ли ний или каналов связи. При этом отказ одного аппарата на узле связи обычно не вызывает отказов других комплектов аппарату ры, а тем более целого элемента или всего узла связи. Исключе ние составляют общие коммутаторы и агрегаты электропитания! Поэтому при расчете надежности системы или сети связи отказы ее структурных элементов, не имеющих общих устройств, счита ются' взаимонезависимыми.
Поражающие факторы могут выводить из строя одновременно несколько элементов узла и даже системы. Так, если воздействию подвергается узел связи, то могут оставаться непораженными лишь вынесенные его пункты и станции. Поскольку аппаратура систем передачи обычно размещается в составе ядра узла связи, при поражении узла с большой вероятностью выходят из строя и подходящие к нему кабельные линии связи. Соответственно могут быть нарушены все связи, осуществляемые данным узлом. В пе риод массированного ядерного удара противника взаимная зави симость событий-поражений распространяется на все элементы системы. Естественно, что эти особенности нельзя не учитывать при расчете живучести систем и сетей связи.
Следует иметь в виду и неодинаковую степень погрешности ис ходных данных для оценки надежности и живучести систем. По эксплуатационно-техническим отказам техники и линий связи имеется обширный статистический материал. Новые средства свя зи проходят испытания на надежность, а проектируемые — оцени ваются расчетным путем. И хотя достоверность исходных данных по надежности техники св^зи представляет пока что известную проблему, достигнутая их точность несравненно выше точности ис
ходных данных для анализа живучести системы связи. К при-
Ю