Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обеспечение показателей надежности сетей доступа на этапах жизненного цикла. Монография
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В.П. Шувалов
Б.П. Зеленцов
И.Г. Квиткова
Обеспечение показателей надежности сетей доступа
на этапах жизненного цикла
Монография
Новосибирск
2022
УДК 621.391.019.3
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: док. техн. наук, проф. Н.И. Горлов,
док. техн. наук, доц. И.В. Богачков,
Шувалов В.П. Обеспечение показателей надежности сетей доступа на
этапах жизненного цикла : монография / В.П. Шувалов, Б.П. Зеленцов, И.Г.
Квиткова ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики ; каф. инфокоммуникационных систем и сетей. – Новосибирск,
2022. – 124 с.
В монографии представлен комплекс вопросов, относящихся к проблематике надежности телекоммуникационных сетей. Рассмотрены вопросы обеспечения надежности в процессе производства и эксплуатации. Изложены методы
расчета надежности оптического кабеля с учетом его деградации и соображения по оценке срока его службы. Представлены предложения по коррекции
терминологии в области надежности, подходам к использованию теории мар-
ковских процессов для расчета параметров надежности телекоммуникацонных
сетей (ТКС).
Монография будет полезна для научных работников, проектировщиков
ТКС, студентам старших курсов, магистрантам и аспирантам.
© Шувалов В.П., Зеленцов Б.П., Квиткова И.Г., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................... 5
1 Метрологическое обеспечение надёжности оптического волокна в процессе
производства и эксплуатации .............................................................................. 7
1.1 Основы метрологического обеспечения продукции и услуг ......................... 7
1.2 Методика выбора номенклатуры измеряемых параметров в процессе про-
изводства оптического волокна ....................................................................... 9
1.3 Оптимизация требований к точности измерений ......................................... 15
1.4 Достоверность измерительного контроля с учётом требований к показате-
лям точности измерений ................................................................................ 18
2 Оценка показателей надёжности для различных условий эксплуатации ........ 25
2.1 Обеспечение показателей надёжности: общие вопросы .............................. 25
2.2 Резервирование с возвращением: активный режим ..................................... 30
2.3 Резервирование с возвращением: пассивный режим ................................... 33
2.3.1 Марковская модель непрерывного времени для вычисления показателя
конкурентоспособности ........................................................................... 34
2.3.2 Пример расчета коэффициента неготовности для фидерной части пас-
сивной оптической сети доступа ............................................................. 37
2.4 Модель надёжности оптического волокна при недостоверном прогнозиру-
ющем контроле ............................................................................................... 39
2.4.1 Особенности модели ................................................................................. 39
2.4.2 Методика оценки параметров модели ...................................................... 40
2.4.3 Исследование модели с постепенными отказами при отсутствии ошибок
контроля .................................................................................................... 44
2.4.4 Исследование модели с учётом внезапных отказов и
ошибок контроля ...................................................................................... 48
2.5 Модель надежности волоконно-оптической линии связи при периодиче-
ском контроле и фиксации предотказов ....................................................... 49
2.5.1 Постановка задачи ..................................................................................... 49
2.5.2 Построение модели ................................................................................... 50
2.5.3 Результаты расчетов .................................................................................. 58
2.6 Технико-экономический анализ и аспекты построения пассивных оптиче-
ских сетей доступа большого радиуса действия .......................................... 59
3 Сети доступа большого радиуса действия. Оценка показателей надежности с
учетом методов технического обслуживания .................................................... 64
3.1 Техническое обслуживание сетей доступа большого радиуса действия,
ориентированное на обеспечение показателей надежности ........................ 64
3.2 Учет явления деградации цепочки OLT-ONT сети доступа ........................ 68
3.2.1 Модель надежности оптоволокна в условиях его деградации................ 68
3.2.2 Модель надежности оптоволокна при фиксации предотказов ............... 72
3.2.3 К определению сроков замены оптического кабеля вследствие его де-
градации .................................................................................................... 77
Заключение ............................................................................................................. 81
3
Список использованных источников .................................................................... 83
Приложение А Терминология в области надежности и пути ее
совершенствования................................................................ ....... 90
Приложение Б Использование показательного распределения в математических
моделях надежности ..................................................................... 93
Приложение В Соотношения между состояниями и событиями при
моделировании надежности марковскими процессами ........... 102
Приложение Г Формирование диаграмм состояний-переходов в условиях
мониторинга технического состояния....................................... 111
4
ВВЕДЕНИЕ
Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации
на 2017-2030 годы предусматривает меры, направленные на стимулирование
развития цифровых технологий и их использование в различных секторах экономики. Основной целью направления, касающегося телекоммуникационной
инфраструктуры, является развитие сетей связи, которые обеспечивают потребности экономики по сбору и передаче данных государства, бизнеса и граждан с учетом технических требований, предъявляемых к цифровым технологи-
ям.
В телекоммуникационной сети, или в соответствии с терминологией ITU –
системе, различают три составляющие: ядро (базовая сеть), городская/региональная сеть и сеть доступа. Городская сеть часто в литературе назы-
вается сетью метро (metro). В модели ITU она является составляющей базовой
сети.
В настоящей работе мы ограничимся рассмотрением вопросов обеспечения
надежности пассивных оптических сетей доступа.
Согласно ГОСТ 27.102-2021 надёжность – это свойство объекта сохранять
во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и
условиях применения технического обслуживания, хранения и транспортировки. Комплексным показателем надёжности является коэффициент готовности
или коэффициент простоя. При этом под готовностью понимается свойство
объекта, заключающееся в его способности находиться в состоянии, в котором
он может выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания и ремонта в предположении, что все не-
обходимые внешние ресурсы обеспечены.
Вопросы обеспечения надёжности должны решаться на всех этапах жизненного цикла технических объектов: проектирование, производство, эксплуа-
тация.
В принципе, можно обеспечить сколь угодно высокие показатели надёжности, и в частности, значение коэффициента готовности. Однако при выборе
требуемых значений показателя готовности следует исходить, прежде всего, из
интересов, как поставщика услуг, так и потребителя. Обычно исходят из необходимости минимизации суммарных затрат на капитальные и эксплуатацион-
ные расходы.
К средствам обеспечения надёжности сетей доступа как объекта исследо-
вания можно отнести следующее:
- введение избыточности и, в частности, резервирование. Под резервиро-
ванием понимается способ обеспечения надёжности сети доступа за счёт использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по
отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций;
- работы по поддержанию исправности или работоспособности сети досту-
па, включая ремонтные работы;
5
- контроль за уровнем работоспособности (надёжности) сети доступа и
прогнозирование отказов и предотказов (состояний предотказа) на перспективу.
Предотказным состоянием называется состояние сети доступа, характеризующееся повышенным риском её отказа. Прогнозирование позволяет перейти к
новому, более рациональному и прогрессивному принципу эксплуатации – экс-
плуатации объекта по техническому состоянию (в отличие от эксплуатации по
ресурсу) путём периодической оценки сроков службы сети доступа в процессе
эксплуатации. Прогнозирование следует рассматривать как часть системы
управления эксплуатацией объектов;
- управление тарифами на предлагаемые услуги в зависимости от требова-
ния потребителя к показателям надёжности;
- другие средства.
Отказ на сети доступа может привести к нарушению требований безопас-
ности (safety) и появлению опасного состояния объекта, который управляется
по сети доступа. При этом возникает недопустимый риск причинения вреда
людям или окружающей среде, или существенных материальных потерь или
других неприемлемых последствий. Таким образом, понятия надёжность и без-
опасность тесно связаны, и критерий, характеризующий безопасность P(S),
можно вычислить по формуле P(S) = P(F)∙P(S/F)∙αнк, где P(F) – вероятность отказа; P(S/F) – вероятность нарушения безопасности при условии появления от-
каза; α
– нормировочный коэффициент.
нк
Первый раздел посвящен положениям, связанным с метрологическими ас-
пектами производства оптического волокна (достоверность измерительного
контроля, выбор оптимальной номенклатуры параметров по критерию миними-
зации затрат на измерение и контроль).
Во втором разделе изложены общие вопросы обеспечения показателей
надёжности оптического волокна. Рассмотрены способы обеспечения надёжности сети доступа путем резервирования (резервирование замещением, активный
и пассивный режим), а также с применением стратегии с фиксацией предотка-
зов при недостоверном прогнозирующем контроле.
В третьем разделе изложены вопросы расчета показателей надежности оптического кабеля с учетом его деградации и методов технического обслужива-
ния.
В приложении к монографии в порядке дискуссии представлены вопросы
терминологии в области надежности, а также соображения по поводу использо-
вания в расчетах надежности показательного распределения.
6
1 Метрологическое обеспечение надёжности оптического волокна в
процессе производства и эксплуатации
В отрасли связи в настоящее время существенно повысились требования
точности измерений. Это связано с широким внедрением волоконно-
оптических линий связи, обеспечивающих передачу большого объема информации. При оценке качества компонентов ВОЛС измеряются различные параметры, такие как уровни оптической мощности и затухания, возвратные потери
и др. Для обеспечения работоспособности и соответствия проектным парамет-
рам волоконно-оптических телекоммуникационных систем необходимо прово-
дить множество измерений (системных и эксплуатационных), которые отлича-
ются методикой и используемыми средствами измерений.[1]
Измерение и контроль проводятся как в процессе эксплуатации оптических
сетей, так и на этапе построения ВОЛС. Первым этапом измерений при построении ВОЛС является входной контроль, включающий в себя измерение параметров и проверку целостности нового кабеля. Далее измерения осуществляются при монтаже оптической линии. После монтажа производится измерение затухания оптического волокна кабеля. И последний этап предусматривает приемосдаточные измерения, заключающиеся в выборочных измерениях парамет-
ров на соответствие норме. В процессе строительства ВОЛС также требуется
поверка и калибровка используемых компонентов и средств связи. [2]
Перечисленные выше мероприятия требуют немалых материальных затрат. Однако они необходимы для обеспечения надёжности функционирования
волоконно-оптических сетей в целом.
Для реализации измерений параметров оптических компонентов необходима реализация метрологического обеспечения, техническую основу которого
и составляют средства измерений и измерительные комплексы, предназначен-
ные для контроля и оценки параметров элементов систем и сетей связи. [1]
1.1 Основы метрологического обеспечения продукции и услуг
Качество продукции и эффективность производства зависит от оптимального перераспределения затрат между процедурами улучшения процессов и
контроля продукции.
Основные проблемы, которые возникают при создании систем метрологического обеспечения производства и измерения параметров производственных
процессов связаны с взаимовлиянием этих процессов друг на друга и правильным выбором главных параметров процессов, определяющих качество продукции. Для оптимизации требований к точности производственных процессов при
заданных требованиях к рискам потребителей продукции необходимо иметь
математическую модель подсистемы «процесс – продукция» [3].
Все возможные варианты решения этой проблемы предполагают использование высокоточных методов измерения рассматриваемых параметров. Это
обусловливает необходимость рассмотрения и анализа на первом этапе систе-
7
мы метрологического обеспечения производства продукции и услуг, создания
математических моделей производства и управления предприятием, анализа их
погрешностей и возможных методов повышения их точности измерения.
Следует иметь в виду, что основной проблемой метрологического обеспе-
чения производственных процессов является проблема повышения точности и
обеспечения сопоставимости оценок погрешностей. Она связана с поиском
обобщенных моделей подсистемы производства [3]. В [4, 5] рассмотрен подход
к созданию такой модели на основе применения S-параметров (S-матриц, сиг-
нальных графов). Предложенный в [4, 5] подход позволяет создать математиче-
ские модели систем метрологического обеспечения и управления производ-
ственными процессами для конкретных предприятий, провести моделирование
работы предприятия, как в целом, так и отдельных его узлов и элементов.
При разработке метрологического обеспечения продукции решаются сле-
дующие задачи [6, 7]:
- определение номенклатуры контролируемых параметров;
- формирование оптимальных требований к точности измерений;
- выбор средств измерений;
- выбор или разработка методик выполнения измерений.
Все четыре названных задачи взаимосвязаны и не могут решаться независимо. Кроме того, процедура разработки метрологического обеспечения продукции, как часть процесса проектирования изделия взаимосвязана с процессом
производства и в значительной степени зависит от него (и наоборот), Управление этим взаимодействием соответствует принципу «процессного подхода»,
лежащего в основе системы менеджмента качества (CМK) организации в соот-
ветствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 9001 - 2015.
Рассмотрим подробнее эти задачи.
1) Известно, что номенклатура контролируемых параметров продукции и
допуски на них определяются с целью обеспечения работоспособности изделия.
При этом выполнение требований допусков, согласно принципу Г.Тагути, не
спасает от потерь качества при отклонении в пределах допусков значений па-
раметров изделия от номинала в процессе производства.
2) В свою очередь, потеря качества измерительного контроля зависит не
только от погрешностей измерений, перечень которых дан в [7], но и от качества технологического процесса, т.е., уровней разладки и точности процесса.
Формально, эта зависимость определяет среднее и дисперсию априорного распределения вероятностей измеряемого параметра. При этом, чем больше потери
качества технологического процесса (уровней разладки и точности), тем выше
ошибки первого и второго рода при измерении параметров. Кроме того, погрешности измерений параметра зависят от методических погрешностей, зависящих от точности прямых измерений, которые определяются точностью
средств измерений (СИ).
3) Выбор средств измерений для условий серийного производства целесообразно осуществлять после выбора методов измерения или совместно, т.к. метод измерения может существенно повлиять на требуемую точность СИ.
8
Например, применение N-кратных измерений позволяет уменьшить средне-
N
квадратическое значение (СКЗ) случайной аддитивной погрешности измерений
в - раз и тем самым снизить требование к точности СИ и, следовательно, к
его стоимости. В то же время большое число режимов измерения параметров
приводит к необходимости чрезмерного увеличения класса точности измери-
тельной установки.
Оптимизация метрологического обеспечения должна решаться комплексно, т.е. с учётом решения четырёх перечисленных выше задач. При этом надо
отличать задачу оптимизации метрологического обеспечения на этапе разработки от задачи оптимизации измерительного контроля в технологическом
процессе производства продукции. На этапе разработки и метрологической
экспертизы технической документации критерием оптимизации является ми-
нимум суммарных затрат, включающих затраты на измерения и потери за счёт
качества измерений (рисков заказчика и поставщика) при заданных требованиях на риски и допустимый уровень брака. При оптимизации затрат на измерительный контроль в процессе производства применяют различные методы оптимизации процесса измерительного контроля, вплоть до его полного исключения, при условии обеспечения заданных значений коэффициентов доверия и
соответственно рисков потребителя (заказчика).
Предлагаемый подход позволяет решать перечисленные выше задачи проектирования метрологического обеспечения и метрологической экспертизы
технической документации с применением математических методов расчёта.
[8]
1.2 Методика выбора номенклатуры измеряемых параметров в
процессе производства оптического волокна
Мониторинг и измерения являются неотъемлемой частью систем менеджмента качества организаций и во многом определяют результативность и эффективность процессов СМК, качество идентификации продукции и дают возможность обеспечения и управления качеством. Выделяют две задачи, стоящие
перед организациями, заключающиеся в обеспечении рациональности номенклатуры измеряемых параметров и оптимальности требований к точности измерений. При этом полагают, что номенклатура измеряемых параметров и требования к точности измерений определены соответствующей нормативной до-
кументацией на конкретную продукцию, включая оптоволокно.
Оптимальность решения указанных задач является предметом метрологической экспертизы технической документации. Работа по оптимизации метрологического обеспечения на стадии производства продукции должна осуществляться с учётом реальных статистических связей между измеряемыми параметрами и стоимостью потерь при измерительном контроле, то есть с учётом каче-
ства метрологического обеспечения.
Задача рационального выбора номенклатуры измеряемых параметров в
процессе производства сводится к задаче минимизации их числа по критерию
минимума затрат на измерительный контроль. При этом учитываются рекомен-
9
дации о необходимости принимать во внимание взаимосвязи параметров в тех-
12
, ,...,
n
Х х х х
1 1 1
ˆ
/ ,.., ... ...
i i k j j n n
xMх х х b х b x b x
1,i k n
Х
0
i
M х
''
i i i
x x x
1 1 11 2 21 3 31 1 1
2 1 12 2 22 3 32 2 2
1 1 2 2 3 3
1 1 2 2 3 3
... ...
... ...
...
... ...
...
... ...
i j j n n
i j j n n
ji j j j j jj n nj
ni n n n j jn n nn
R b R b R b R b R b R
R b R b R b R b R b R
R b R b R b R b R b R
R b R b R b R b R b R
нологическом процессе. [9]
Решение задачи выбора номенклатуры контролируемых параметров заключается в выборе из некоторого числа параметров, подлежащих контролю,
оптимального ряда измеряемых параметров и ряда прогнозируемых (оценивае-
мых) параметров.
Одним из подходов решения такой задачи является применение методов
регрессионного анализа, в частности, множественной регрессии для получения
оценок прогнозируемых параметров на основании корреляционных связей
между параметрами.
Пусть имеется вектор параметров
, компоненты которого
являются гауссовыми случайными величинами, статистически связанными
между собой.
Оптимальной оценкой (по критерию минимума среднего квадрата ошибки)
одной из совместно гауссовских случайных величин в зависимости от остальных является линейная оценка. Поэтому оценкой величины xi является условное математическое ожидание, выраженное в виде линейного уравнения [9, 12,
14]:
,
. (1.1)
При этом математические ожидания величин вектора
левому значению, т.е.
.
приведены к ну-
Выражение (1.1) является уравнением множественной регрессии [11] в
стандартизированном масштабе, переменные которого
, а коэффици-
енты регрессии bj получены из решения системы уравнений:
где Rji – корреляционный момент между величинами xj и xi.
Поскольку оцениваются n-k из n параметров, то для получения уравнения
оценки каждого прогнозируемого параметра решаются n-k систем уравнений
вида (1.2), состоящих из k линейных алгебраических уравнений вида
, (1.2)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]