Основные понятия и определеня
Показатели структурной надежности сети и методы их определения
Способы повышения структурной надежности
Раздел 5 посвящен вопросам структурной надежности сетей связи. Рассматриваются основные понятия теории надежности, различные аспекты структурной надежности и модели сетей связи для решения задач по указанной проблеме. Уделено внимание показателям структурной надежности и методам их определения. Рассматриваются способы повышения структурной надежности, используемые на реальных сетях. Приведены контрольные вопросы, список литературы и глоссарий.
5.1 Основные понятия и определеня
Надежностью какого-либо объекта (системы, сооружения, устройства или отдельной детали) называется его свойство, заключающееся в способности выполнять поставленные задачи в определенных условиях эксплуатации. Состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, называют работоспособностью, а состояние, в котором объект удовлетворяет указанным требованиям, - его исправностью. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, называют отказом.
В зависимости от назначения объекта, выполняемых им функций и условий эксплуатации различают несколько свойств объекта, связанных с надежностью. К этим свойствам относятся:
- безотказность (свойство непрерывно сохранять работоспособность);
- долговечность (свойство сохранять работоспособность до определенного состояния);
- ремонтопригодность (возможность выполнения ремонта и технического обслуживания);
- восстанавливаемость (возможность восстановления работоспособности после отказа);
- срок службы или сохраняемость.
Для сетей связи, являющихся сложными многофункциональными системами, состоящими из элементов разнородных по своим свойствам, показателям надежности, назначению, дате изготовления, сроку ввода в эксплуатацию и т. п., можно выделить два основных аспекта надежности, которые условимся называть аппаратурным и структурным.
Под аппаратурным аспектом будем понимать проблему надежности аппаратуры, отдельных устройств и их элементов, включая каналы и линейные тракты, т. е. отдельных элементов, входящих в узлы и линии сети.
Структурный аспект отражает функционирование сети в зависимости от работоспособности или отказов узлов (станций, пунктов) или линий, магистралей, пучков каналов сети, т. е. он связан с возможностью существования в сети путей доставки информации. В настоящем разделе будем говорить только о надежности, рассматривая сеть как единое целое. Надежность сети в этом случае будем называть структурной надежностью.
Учитывая многофункциональность сети, в которой при N узлах должно быть организовано N(N—1) связей, да еще разного вида (телеграф, телефон, звуковое или телевизионное вещание и т. п.), определить, что следует понимать под отказом сети, т. е. определить, когда сеть в целом перестает выполнять свои функции, практически невозможно. Иногда под отказом сети понимают потерю связности узлов. Однако этот показатель может быть принят только в некоторых частных случаях, так как он не учитывает важности отдельных связей. В других случаях надежность сети характеризуют некоторой «средней» величиной коэффициента готовности (или другого показателя) связи или путей в сети для заданных пар узлов. Более правильно, по-видимому, характеризовать надежность сети матрицей, вектором или перечнем показателей надежности линий или каналов сети или же для каждой пары пунктов сети — показателями надежности кратчайших или допустимых путей или всех возможных путей. Наконец, надежность сети может характеризоваться функциями (графиками) вероятностей того, что сохранится определенная часть из общего числа линий, путей или связей.
Будем относить понятие надежности не к сети в целом, а к путям или совокупностям путей между заданной парой пунктов (узлов), т. е. рассмотрим надежность связи между этими пунктами, считая, что известны надежностные показатели линий и узлов. Требования к надежности в таком понимании могут быть различными в зависимости от значения рассматриваемых пунктов, расстояний между ними, их взаимосвязанности в хозяйственной или другой деятельности, а также от вида и назначения связи. Заметим, что можно говорить: «сеть G1 надежнее сети G2», если при выполнении одинаковых функций в сети G1 надежность связей между всеми заданными парами узлов не ниже, а между некоторыми — выше, чем в G2.
Для связи между узлами (пунктами) aS и aT в сети используются все возможные пути или выбранное по какому-либо признаку множество путей Mst. Каждый путь µ К ST (k-ый путь из множества путей от aS к aТ) состоит из линий и узлов, через которые он проходит. Под показателем надежности пути (надежность пути) pK ST= p (µ К ST) будем понимать вероятность того, что данный путь в произвольный момент времени находится в работоспособном состоянии, а это означает, что работоспособными должны быть все линии и узлы, входящие в этот путь. Надежность связи будем оценивать вероятностью того, что работоспособным является хотя бы один путь.
Отказом линии будем называть такое состояние, при котором каналы, образующие рассматриваемую линию, либо полностью вышли из строя, либо их параметры настолько ухудшились, что практически их нельзя использовать (например, из-за больших помех, искажений, снижения уровня на приемном конце и т. п.) для данного вида связи. Надежность лини - вероятность ее безотказной работы — определяется, с одной стороны, аппаратурной надежностью ее элементов, а с другой, — механической исправностью линейных сооружений. Основными причинами отказов линий являются различные механические повреждения, возникающие при проведении строительных работ (до 60—65%) или вследствие стихийных бедствий (молнии, разливы рек, оползни — до 10—15%). Реже они являются следствием дефектов монтажа или строительства этих линий (8—15%) или неаккуратной работы обслуживающего персонала (2—10%). Число и длительность таких повреждений в значительной степени зависят от типа и устройства линий, их географического положения и уровня организации эксплуатационной службы. При равных условиях их число пропорционально длине линии.
Отказ узла — невозможность передачи через него информации с входящих каналов на исходящие. Такой отказ эквивалентен одновременному отказу всех ребер, инцидентных этому узлу. Он происходит, как правило, в результате механических разрушений части или всего оборудования (в результате пожара, стихийного бедствия и т. п.). Отказ узла приводит к нарушению значительно большего числа путей, чем отказ линии, однако вероятность такого события значительно меньше вероятности отказа линии. рассматривать только влияние линий, считая, что Надежность каналообразующей и некоторой другой аппаратуры узла входит, как правило, в оценку надежности линий.
С точки зрения надежности линии сети принадлежат к элементам с восстановлениями. Процесс функционирования восстанавливаемого элемента можно представить как последовательность интервалов работоспособности и простоя (восстановления) (рис.5.1). Длительности этих интервалов определяются всеми факторами, о которых говорилось выше.
- интервал работоспособности; - интервал простоя.
Рис. 5.1. Интервалы работоспособности и простоя (восстановления).
В первом приближении интервалыможно считать взаимно независимыми случайными величинами, имеющими определенное распределение со средними временами. Тогда среднее время безотказной работы (иногда эту величину называют наработкой на отказ) и среднее время восстановления . Под надежностью линии будем понимать вероятность нахождения линии в состоянии работоспособности или математическое ожидание доли времени, в течение которого линия находится в исправном состоянии (это определение эквивалентно понятию коэффициента готовности):
, (5.1)
где λ= 1/Т - интенсивность отказов;
µ =1/ - интенсивность восстановления;
.
При малых значениях величины y можно принять:
. (5.2)
Аналогичным образом определяется вероятность отказа ребра bij:
Под живучестью сети чаще всего понимают ее свойство сохранять связность при массовых разрушениях узлов и линий связи сети и обеспечивать при этом связь между всеми или большинством пунктов хотя бы с пониженным качеством. В настоящее время нет установленного критерия для оценки живучести. Под живучестью сети будем понимать сохранение ее связности.