民航貴州空管分局通信網(wǎng)可靠性建模分析

賈海朋　潘誠(chéng)

【摘 要】 本文構(gòu)建了串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)冗余系統(tǒng)、備份冗余系統(tǒng)的可靠性分析模型，舉例分析了民航貴州空管分局通信傳輸系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法，為當(dāng)前資源配置優(yōu)化和未來(lái)更新升級(jí)提供科學(xué)決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 空管通信 可靠性 冗余系統(tǒng)

引言

隨著貴州民航事業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)航班量劇增，飛行流量不斷增大，因此，對(duì)管制部門的要求越來(lái)越高，相應(yīng)對(duì)管制手段的要求也越來(lái)越高?？展芡ㄐ啪W(wǎng)要求提供更高的通信質(zhì)量以及更穩(wěn)定可靠的通信系統(tǒng)，以保證業(yè)務(wù)的正?？煽康貍鬏敗５捎谀壳翱展苌腥狈σ?guī)范的通信網(wǎng)可靠性評(píng)估依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，難以系統(tǒng)性分析和評(píng)估通信設(shè)備的質(zhì)量和可靠性，存在一定的安全隱患。本文通過(guò)建模分析串聯(lián)通信系統(tǒng)、并聯(lián)冗余通信系統(tǒng)、備份冗余通信系統(tǒng)的可靠性計(jì)算方法，以目前貴州空管分局航管樓到森林公園雷達(dá)站的通信系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。

1、可靠性評(píng)估數(shù)學(xué)模型的建立

民航貴州空管分局通信系統(tǒng)中子系統(tǒng)的基本連接方式主要有串聯(lián)、并聯(lián)、備用三種。串聯(lián)系統(tǒng)是一種不含冗余系統(tǒng)的連接方式，任何一種子系統(tǒng)的失效都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效，假設(shè)R（t）表示通信系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的可靠度，各個(gè)子系統(tǒng)的可靠度分別為Ri（t），失效率分別為λi，子系統(tǒng)是否發(fā)生故障是相互獨(dú)立的，根據(jù)概率論知識(shí)可知，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：

設(shè)λ為整個(gè)系統(tǒng)的失效率，即：

則：

并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠度為：

對(duì)于備用冗余系統(tǒng)中，一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)處于備用模式以準(zhǔn)備主系統(tǒng)故障時(shí)接入系統(tǒng)工作，與并聯(lián)冗余系統(tǒng)不同，備用冗余系統(tǒng)中模型描述的是主要系統(tǒng)與備用系統(tǒng)不能同時(shí)工作的情況。對(duì)于不可修復(fù)的備用系統(tǒng)模型，系統(tǒng)失效概率可用泊松分布來(lái)描述：

式中：表示在時(shí)間t內(nèi)k個(gè)系統(tǒng)故障的概率，λ為系統(tǒng)故障率。該式適用于主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)失效概率相同的情況。

在備用冗余系統(tǒng)模型中，假定主系統(tǒng)故障后，備用系統(tǒng)依次迅速接替工作，直至備用系統(tǒng)全部故障，假定系統(tǒng)是不可修復(fù)的，則在時(shí)間t內(nèi)具有n-1個(gè)備用系統(tǒng)的可靠度為：

式中，ps表示系統(tǒng)成功切換的概率，即切換裝置的可靠動(dòng)作率。

上述備用冗余系統(tǒng)中，主系統(tǒng)與所有備用系統(tǒng)的失效概率都是相同的，實(shí)際系統(tǒng)往往不是如此，主系統(tǒng)以及備用系統(tǒng)的故障率由系統(tǒng)自身的性質(zhì)決定，計(jì)算具有不同故障率的備用冗余系統(tǒng)的可靠度的方法主要采用聯(lián)合概率密度的概念。

假設(shè)備用冗余系統(tǒng)具有一個(gè)主系統(tǒng)與一個(gè)備用系統(tǒng)，他們的故障率分別為λ主和λ備，假設(shè)主系統(tǒng)在t1時(shí)刻失效，備用系統(tǒng)立即接替工作，再假定備用系統(tǒng)在t時(shí)刻失效，則備用系統(tǒng)失效的時(shí)間為t2=t-t1，因此由主備系統(tǒng)組成的備用冗余系統(tǒng)的失效概率密度為：

將f（t）對(duì)t1積分得到只用t表示的聯(lián)合概率密度函數(shù)：

因此，系統(tǒng)的可靠性為：

考慮檢測(cè)和切換裝置的可靠動(dòng)作率ps，系統(tǒng)可靠性為：

2、貴州空管分局通信網(wǎng)可靠性分析

以貴州空管分局通信網(wǎng)中航管樓至森林公園雷達(dá)站的通信保障系統(tǒng)為例，航管樓至森林公園雷達(dá)站通信采用的是光纖通信為主，SDH微波通信為備。

鏈接圖可以簡(jiǎn)化為如圖1所示的傳輸結(jié)構(gòu)圖：

圖1 航管樓至森林公園雷達(dá)站傳輸結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)上圖可以看到，航管樓至森林公園雷達(dá)站采用了兩種備份方式，一種是光纖通信與微波通信互為備份，另一種是兩套接入網(wǎng)設(shè)備互為備份。

（1）光纖通信鏈路可靠性計(jì)算

首先計(jì)算第一種備份方式的可靠性。這里航管樓至森林公園雷達(dá)站的光纖通信可靠性，航管樓至森林公園雷達(dá)站距離大約10km，根據(jù)光纜可靠性分析，航管樓到森林公園雷達(dá)站的光纜可靠性為：

由圖可見(jiàn)，兩端光端機(jī)選用華為OSN1500，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研收集到的華為通信設(shè)備的可靠性參數(shù)的分析，設(shè)備可靠性為：

那么光纖通信的可靠性，也就是光端機(jī)5——光纖10——光端機(jī)6可靠性為：

（2）微波通信鏈路可靠性計(jì)算

微波設(shè)備與前端光纖設(shè)備采用的連接方式是SDH方式，也就是圖中紅線所示為SDH光纖連接方式，貴州空管分局使用的愛(ài)立信MINI-LINK TN微波設(shè)備可以很方便的實(shí)現(xiàn)這種模式的連接，故可不考慮改變傳輸方式的改變對(duì)微波鏈路的可靠性影響，微波設(shè)備可靠性

微波傳輸?shù)目煽啃詾?/p>

故微波鏈路微波設(shè)備7——微波13——微波設(shè)備8的可靠性為

航管樓至森林公園雷達(dá)站采用的接入網(wǎng)設(shè)備是華為FA16，根據(jù)傳輸圖可以看出，兩種通信方式通過(guò)電纜接入華為FA16設(shè)備，因此，要計(jì)算可靠性，需要知道華為FA16的可靠性指標(biāo)和電纜通信的可靠性指標(biāo)，查閱FA16的技術(shù)手冊(cè)，可知該設(shè)備的可靠性很高，可達(dá)到99.995%，故取可靠度。電纜線的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）可達(dá)30000h，也就是說(shuō)可取電纜線的可用度A為99.996%，故令電纜線的可靠性為。

（3）整體可靠性分析

則上述第一種光纖通信與微波通信備份方式的可靠性計(jì)算方法為

另外，航管樓至森林公園采用兩臺(tái)華為FA16設(shè)備互為冷備份，即通常情況下運(yùn)行一臺(tái)機(jī)器，故障情況下另一臺(tái)機(jī)器運(yùn)行，這種備份能很大程度提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。這種情況下，主備分通信鏈路的可靠性均為R，則整個(gè)航管樓到發(fā)報(bào)臺(tái)的可靠性為

結(jié)束語(yǔ)

可靠性建模分析表明，當(dāng)串聯(lián)系統(tǒng)中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性較差時(shí)，會(huì)顯著影響串聯(lián)系統(tǒng)的整體可靠性，通過(guò)并聯(lián)冗余系統(tǒng)、備份冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以有效提高空管通信系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)連接方式上應(yīng)盡量少用串接的方法，對(duì)可靠性要求高的部件，多采用并聯(lián)備份的方式，當(dāng)然，在考慮追求高可靠性的同時(shí)，要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，合理選取。

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作者簡(jiǎn)介：賈海朋（1982年出生），男，山東青州，主任工程師，主要研究通信傳輸方面。

基金項(xiàng)目：民航西南地區(qū)空管局科技項(xiàng)目