СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА СВЯЗИ
METHOD FOR DIAGNOSTICS AND MONITORING OF AN AUTOMATED COMMUNICATION COMPLEX

Изобретение относится к области электротехники и электроники, а именно к технике передачи и приема аналоговой и дискретной информации и может быть использовано для контроля и диагностирования технического состояния АКС.
Одним из способов обеспечения высокого уровня эксплуатационной надежностью автоматизированных комплексов связи (АКС) является контроль и диагностирование их технического состояния (ТС). Для широкого класса АКС характерно наличие ситуаций штатного и нештатного функционирования, причем именно последние в большем случаев приводят к неблагоприятным последствиям с точки зрения выполнения АКС стоящих перед ними задач по предназначению. Реализация диагностирования и восстановления работоспособности АКС с высоким уровнем автономности функционирования встроенными средствами текущего контроля ТС и самодиагностирования позволяет значительно продлить их жизненный цикл.
Известна «Автоматизированная система интегральной цифровой связи» (патент РФ №2188511 от 27.08.2002 г., кл. 7 Н04В 13/00).
Система предназначена для организации внутренней и внешней связи на кораблях, судах и береговых объектах. Система имеет также и аппаратуру управления радиокомплексом, каналообразующие средства, оконечную аппаратуру, систему контроля и диагностики, систему цифровой коммутации и управления.
Недостатками такой системы является низкая надежность, т.к. высокая плотность электротехнических и радиотехнических устройств приводит к высокой напряженности электротехнических и магнитных полей широкого спектрального состава. Эти поля, воздействую на электрические цепи системы связи, создают помехи, снижающие разборчивость речи, кроме того, наблюдается низкая стабильность показателей качеств АКС в условиях эксплуатации. Система неспособна обеспечить эффективность контроля и диагностики технических средств цифрового комплекса связи.
Наиболее близким к заявляемому комплексу связи по технической сущности решения вопроса является «Автоматизированный комплекс связи». Патент РФ на ПМ №45582 от 10.05.2005 г. Кл. HO4B 13/00.
Комплекс, состоит из устройства управления, каналообразующих и оконечных средств, системы диагностики и контроля состоящих из встроенных и внешних средств контроля, приемопередающих средств, устройства открытой и закрытой связи, выполнен в виде двух модулей, разнесенных на 1,5 км, и соединенных между собой посредством дублированных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), при этом, первый модуль представляете собой передающий радиоцентр (ПДРЦ), который содержит оптоволоконный адаптер, первый выход которого соединен с оптоволоконным адаптером приемного центра, а второй вход с коммутатором ИКМ-каналов, который первым входом соединен с системой цифровой коммутации и управления (СЦКУ), а вторым входом через адаптер с блоком коммутации, который, в свою очередь, соединен с СЦКУ и РПДУ, которые соединены с антенно-коммутационным оборудованием, при этом второй модуль представляет собой приемный радиоцентр (ПРЦ), который содержит свой оптоволоконный адаптер, соединенный с коммутатором ИКМ-каналов и с СЦКУ ПРЦ, который первым входом соединен с каналообразующими средствами (КОС), вторым входом с оконечной аппаратурой (OA) и терминалом дежурного по связи (ДС), третьим входом с аварийной подсистемой и четвертым входом с внешними системами, причем аварийная подсистема содержит устройство сигнализации и управления, соединенные с выносными постами связи, связным терминалом, радиопередающими и радиоприемными устройствами, отдельными радиостанциями и адаптером ИКМ-каналов, при этом РПДУ, РПУ и РСТ соединены с антенно-коммутационным оборудованием.
Недостатками прототипа в том, что он не обеспечивает рационального распределения функций встроенных и внешних средств контроля технического состояния АКС с высоким уровнем автономности.
Целью изобретения является обеспечения рационального распределения функций встроенных и внешних средств контроля и диагностики технического состояния АКС с высоким уровнем автономности.
Поставленная цель достигается тем, что способ диагностики и контроля автоматизированного комплекса связи в процессе его автономного функционирования решаются встроенными средствами контроля текущего технического состояния и самодиагностирования, а при взаимодействии с внешней управляющей системой - внешними средствами диагностирования и управления технического состояния, при этом внешняя управляющая система, наряду с собственно управлением целевым функционированием анализируемым АКС осуществляет диагностирование и управление технического состояния, причем встроенными средствами контроля и самодиагностирования контроль технического состояния АКС, в случае принятия решения о нештатной ситуацией функционирования системы - перевод ее в специальный режим работы, распознавание нештатной ситуацией функционирования системы и локализация неисправности, восстановление работоспособного состояния системы, после решения задачи обнаружения нештатной ситуацией осуществляется процесс самодиагностики.
На фиг. 1. Представлена функциональная схема процесса диагностирования, управляемого АКС с высоким уровнем автономности встроенными средствами и средствами внешней управляющей системой.
Она содержит:
I - управляемую систему.
II - модуль контроля ТС, который состоит из:
1 - контроль ТС;
2 - правильное обнаружение НС;
3 - ложное обнаружение НС;
4 - пропуск НС;
III - Модуль диагностирования ТС, который состоит из:
6 - диагностирование ТС;
7 - правильное распознавание и локализация НС;
8 - ошибочное распознавание и локализация НС;
9 - внешняя подсистема диагностирования ТС;
Дополнительные блоки:
5 - специальный режим функционирования;
10 - восстановление работоспособного состояния;
11 - штатное функционирование;
12 - нештатное функционирование.
Функциональная схема процесса диагностирования управляемого АКС с высоким уровнем автономности встроенными средствами и средствами внешней управляющей системой и самодиагностирования непрерывно осуществляется решение следующих задач: 1) контроль ТС системы; 2) в случае принятия решения о НС функционирования системы - перевод ее в специальный режим работы; 3) распознавание НС функционирования системы и локализация неисправности; 4) восстановление работоспособного состояния системы.
На практике при проведении контроля ТС АКС существует необходимость не только в определении работоспособности системы, но и в соотнесении ее неработоспособного состояния к множеству известных НС. Кроме того, в результате НС сложная система может оказаться в частично работоспособном состоянии. Под частично работоспособным состоянием будем понимать состояние, в котором АКС способен выполнять функциональные задачи по предназначению с допустимыми ограничениями. Учет частично работоспособных состояний имеет важное значение при диагностировании АКС с высоким уровнем автономности функционирования. При этом формирование множества частично работоспособных состояний представляет собой отдельную задачу, требующую индивидуального подхода для каждой АКС.
С учетом перечисленных обстоятельств работу модуля контроля ТС II будут характеризовать следующие три выходные реакции: правильное обнаружение НС 2, пропуск НС 4 и ложное обнаружение НС 3. В последнем случае модулем контроля ТС II принимается решение о НС, хотя система находится в частично работоспособном состоянии. Еще одним возможным результатом контроля ТС является правильное необнаружение НС (правильное обнаружение частично работоспособного состояния). Однако вероятностью этой выходной реакции можно пренебречь, что вызвано следующими причинами. Во-первых, контролируемые параметры в частично работоспособном состоянии имеют значения, близкие к предельно допустимым, в гораздо большей степени соответствующие НС, чем работоспособному состоянию. Во-вторых, существенное пересечение множества частично работоспособных состояний в пространстве контролируемых параметров как между собой, так и по отношению к множеству НС не позволяет с высокой достоверностью решить задачу их оперативного обнаружения в модуле контроля ТС II управляемой АКС Как следствие, на модуль контроля ТС II нецелесообразно возлагать функцию обнаружения частично работоспособного состояния управляемой АКС. В то же время частичная работоспособность АКС может быть выявлена на этапе диагностирования ТС 6. При этом обычно количество возможных частично работоспособных состояний значительно больше, чем рассмотренных НС, что усугубляет проблему их диагностирования с заданной достоверностью. Тем не менее рассмотрение частично работоспособных состояний при моделировании процессов диагностирования АКС требует учета выходной реакции ложного обнаружения НС 3, как это показано на фиг. 1.
После решения задачи обнаружения НС начинается процесс самодиагностирования, в ходе которого осуществляется распознавание НС и локализация неисправности 7 в управляемой АКС, а также оценка работоспособности системы в частично работоспособном состоянии. При невозможности решить задачи распознавания НС и восстановления работоспособного состояния управляемой АКС встроенными средствами контроля ТС и самодиагностирования восстановление ее работоспособного состояния осуществляется после планового или инициируемого средствами самодиагностирования обращения к внешней управляющей системе 9. Обращение к внешней управляющей системе 9, как правило, происходит при обнаружении серьезных («тяжелых») отказов, вероятность возникновения которых гораздо ниже и для устранения которых возможностей встроенных средств самодиагностирования недостаточно. На практике количество таких «тяжелых» отказов часто соответствует правилу Парето и составляет порядка 25% от их общего количества.
Функциональной схеме процесса диагностирования ТС АКС с высоким уровнем автономности (фиг. 1) соответствует граф состояний, представленный на фиг. 2.
0
1
2
11
Число текущих состояний, образующих множество S=(S, S, S, …, S), определяется логикой и уровнем описания процесса диагностирования управляемой АКС при возникновении НС.
Интенсивности переходов между состояниями определяются вероятностными и временными характеристиками соответствующих процессов контроля ТС и диагностирования, управляемой АКС.
0
Исходным состоянием графа является состояние S, соответствующее воздействию НС на управляемую АКС, находящуюся в работоспособном состоянии, ТС которой контролируется встроенными средствами диагностирования.
Работу встроенных средств контроля ТС и самодиагностирования управляемой АКС характеризуют следующие текущие состояния:
1
S - контроль ТС системы проведен, имеет место пропуск НС;
2
S - контроль ТС системы проведен, НС правильно обнаружена, осуществляется переход в специальный режим работы и распознавание правильно обнаруженной НС;
3
S - контроль ТС системы проведен, имеет место ложное обнаружение НС, осуществляется переход в специальный режим работы и распознавание ложно обнаруженной НС;
4
S - НС правильно обнаружена, в результате самодиагностирования распознавание НС выполнено правильно, реализуется правильная процедура восстановления работоспособности системы;
5
S - НС правильно обнаружена, в результате самодиагностирования распознавание НС выполнено неправильно, реализуется неправильная процедура восстановления работоспособности системы;
6
S - имеет место ложное обнаружение НС, но в результате самодиагностирования распознавание НС выполнено правильно, реализуется правильная процедура восстановления работоспособности системы;
7
S - имеет место ложное обнаружение НС, в результате самодиагностирования распознавание НС выполнено неправильно, реализуется неправильная процедура восстановления работоспособности системы.
8
Работу внешней подсистемы диагностирования управляющей системы характеризует состояние S, соответствующее обращению управляемой системы к внешней управляющей системе после правильного или ложного обнаружения НС и выполнению контроля ТС и диагностирования АКС внешней подсистемой диагностирования управляющей системы.
9
10
11
Состояния S, S, S являются поглощающими и характеризуются следующим образом:
9
S - управляемая АКС находится в неработоспособном состоянии вследствие пропуска НС и невыполнения встроенными и внешними средствами диагностирования процедур восстановления работоспособного состояния системы;
10
S - управляемая АКС находится в частично работоспособном состоянии и способна выполнять задачи по функциональному предназначению с ограничениями вследствие некритичности НС к правильности выполнения встроенными средствами диагностирования процедур восстановления работоспособности системы;
11
S - управляемая АКС находится в работоспособном состоянии благодаря работе встроенных и внешних средств диагностирования и выполнению после обнаружения НС правильных процедур восстановления работоспособного состояния системы.
Полагается, что внешняя подсистема диагностирования управляющей системы, обладающая более широкими функциональными возможностями, чем встроенная подсистема само диагностирования управляемой АКС, при правильном обнаружении НС осуществляет локализацию неисправности и восстановление работоспособного состояния управляемой системы в результате формирования соответствующих управляющих воздействий. Если же НС внешней подсистемой диагностирования управляющей системы не обнаружена, то возможность восстановления работоспособного состояния управляемой системы отсутствует.
Переходы между состояниями являются вероятностными (стационарными и нестационарными во времени). Вероятностные переходы из состояния в состояние описываются матрицей вероятностей переходов Р. Для графа состояний, приведенного на Фиг. 2, она имеет следующий вид:
где Pq, r - вероятность перехода из текущего состояния q в состояние r, q=0…8, r=1…11 - номера состояний.
0,1
0,2
0,3
Все указанные вероятности можно свести в четыре группы, характеризующие уровни обработки диагностической информации о НС. Первый уровень отвечает за оперативный контроль ТС АКС с использованием встроенных средств диагностирования и характеризуется вероятностями: Р - пропуска НС; Р - правильного обнаружения НС; Р - ложного обнаружения НС.
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
3,8
1,9
1,10
4,11
6,11
4,8
6,8
5,9
7,9
5,10
7,10
8,9
8,11
3,6
2,4
3,6
2,4
1,10
1,9
5,10
5,9
7,10
7,9
0,2
2,4
3,6
0,2
0,4
0,3
0,1
0,2
0,3
1,9
1,10
2,4
2,5
2,8
3,6
3,7
3,8
4,8
4,11
5,9
5,10
6,8
6,11
7,9
7,10
8,9
8,11
0,2
2,4
0,2
2,4
8,11
2
8,11
11
11
1
2
11
1
2
0
11
0
11
Второй уровень отвечает за распознавание НС в АКС и локализацию неисправности с использованием встроенных средств диагностирования и характеризуется вероятностями: Р - правильного распознавания и локализации неисправности после правильного обнаружения НС; Р - ошибочного распознавания и локализации неисправности после правильного обнаружения НС; Р - правильного распознавания и локализации неисправности после ложного обнаружения НС; Р - ошибочного распознавания и локализации неисправности после ложного обнаружения НС; Р, Р - обращения к внешней подсистеме диагностирования управляющей системы после правильного или ложного обнаружения НС соответственно при наличии значительной неопределенности в значениях контролируемых параметров, не позволяющей задействовать средства самодиагностирования АКС Третий уровень отвечает за восстановление работоспособности АКС и характеризуется вероятностями: P, P - перехода АКС в неработоспособное и частично работоспособное состояние соответственно в результате пропуска НС; Р, Р - восстановления работоспособности АКС с использованием встроенных средств; Р, Р - обращения к внешней подсистеме диагностирования управляющей системы после правильного или ложного обнаружения НС соответственно вследствие невозможности восстановить работоспособность АКС встроенными средствами (случай «тяжелых» отказов); P, Р - перехода АКС в неработоспособное состояние вследствие неправильного диагностирования НС и реализации неправильных процедур восстановления работоспособности системы; P, Р - перехода АКС в частично работоспособное состояние после неправильного диагностирования НС и реализации неправильных процедур восстановления работоспособности системы вследствие некритичности НС к правильности выполнения встроенными средствами диагностирования процедур восстановления работоспособности системы. Четвертый уровень отвечает за контроль ТС АКС с использованием внешней подсистемы диагностирования управляющей системы и характеризуется вероятностями: P - необнаружения НС в АКС при углубленном анализе ее ТС средствами управляющей системы; P - правильного обнаружения НС и диагностирования СТС при углубленном анализе ее ТС средствами управляющей системы. Введем допущение о том, что в модуле диагностирования ТС осуществляется не только процесс распознавания НС, но и процесс тестирования управляемой АКС. На основе принятых допущений о характере частично работоспособных состояний АКС будем полагать, что вероятность правильного распознавания и локализации неисправности после ложного обнаружения НС Р меньше, чем вероятность правильного распознавания и локализации неисправности после правильного обнаружения НС Р:Р<Р. Также будем полагать, что при пропуске НС, ложном обнаружении НС, ошибочном распознавании и локализации неисправностей вероятность перехода системы в неработоспособное состояние выше, чем в частично работоспособное: P<P, P<P, Р<P. В исходном состоянии вероятности Р, Р и Р имеют заданные значения Р, Р и Р. Вероятности переходов для всех состояний, кроме поглощающих, образуют полную группу событий: P+Р+P=1, P+P=1, Р+Р+Р=1, Р+Р+Р=1, Р+Р=1, Р+Р=1, Р+Р=1, Р+Р=1, Р+Р=1. Произведение вероятностей Р и Р может быть использовано в качестве показателя достоверности встроенной системы диагностирования: D=РР. Вероятность P может быть использована в качестве показателя достоверности внешнего диагностирования: D=Р. Результирующая вероятность Р попадания системы в поглощающее состояние S, соответствующее работоспособному состоянию и штатному функционированию управляемой системы после выполнения цикла процедур контроля и диагностирования ТС и восстановления работоспособности, зависит как от значений показателей достоверности диагностирования D и D, так и от значений других вероятностей, описывающих переходы в графе состояний, приведенном на фиг. 2. Трудность разделения переменных и получения аналитической зависимости вероятности работоспособного состояния АКС от показателей достоверности внутреннего и внешнего диагностирования P(D, D) приводит к необходимости использовать методы моделирования для исследования процессов диагностирования АКС. На основе графа состояний процесса диагностирования (см. фиг. 2) в среде AnyLogic была разработана модель диагностирования АКС с высоким уровнем автономности. Для описания состояний от S до S в модели используются специальные компоненты S-S, имеющие встроенный механизм изменения значений вероятностей потока событий на их выходах и позволяющие осуществить вероятностные переходы из одного состояния в другое. Компонент Q1 создает на своих выходах копии входного потока событий обращения к внешней подсистеме диагностирования, что позволяет использовать его для контроля текущих значений ИАФ АКС.
0
9
10
11
На вход модели поступает поток заявок, имитирующих отказы и НС функционирования системы, которые порождают различные события, распространяющиеся в модели от состояния к состоянию. В начальный момент времени анализируемая АКС находится в исходном состоянии S. В последующие моменты времени система подвергается воздействию отказов, возникающих с интенсивностью λ=λ0. Каждый отказ порождает распространяющуюся в модели заявку на обработку НС встроенными средствами самодиагностирования АКС. В результате обработки этой заявки система попадает в одно из поглощающих состояний S, S или S. Интервал автономного функционирования АКС является случайной величиной и определяется как интервал времени между событиями обращения к внешней управляющей системе. Получив определенный объем статистической информации, можно оценить функцию плотности вероятности распределения и вычислить значение ИАФ управляемой системы с заданной вероятностью, а также зависимость его длительности от различных параметров модели. Все процессы в модели синхронизированы, а их длительность определяется модельным временем. В каждом из состояний происходит задержка модельного времени на величину  где Т - матрица задержек:
Некоторые задержки являются величинами постоянными, а некоторые - случайными, распределенными по экспоненциальному или по иному закону, в зависимости от наличия экспертной информации о законе распределения. В имитационную модель диагностирования АКС включен набор правил, в соответствии с которыми происходят изменения характеристик потока отказов и средств диагностирования за счет программного изменения параметров компонентов модели во времени:
0
1. При обнаружении НС управляемая система переводится в специальный режим, в котором возникновение последующих НС практически невозможно (λ=0), и на вход модели (состояние S) отказы не поступают, пока не будут завершены процедуры восстановления работоспособности системы.
1
5
7
0,2
2,4
3,6
2. При пропуске НС (состояние S), ошибках распознавания НС и неправильном распознавании неисправностей (состояния S и S) происходит увеличение интенсивности отказов λ и уменьшение вероятностей Р, Р, Р вследствие роста неопределенности значений контролируемых параметров:
мах
мах
где dλ(k) - случайная величина, принимающая значение в интервале 0…dλ; dP(k) - случайная величина, принимающая значение в интервале 0…dP; k - номер дискретного отсчета модельного времени.
0
0,2
0,2
з
2,4
2,4з
3,6
3,6
2
8,11
3. При обращении к внешней подсистеме диагностирования управляющей системы осуществляется углубленный анализ ТС управляемой системы, восстановление ее работоспособности и возвращение исходных значений параметров встроенных средств диагностирования: λ=λ, Р=Р Р=Р, Р=Р з - с вероятностью, определяющей показатель достоверности внешней подсистемы диагностирования: D=P.
1
0,2
2,4
8
4. При правильном самодиагностировании и выявлении неисправности значение интенсивности отказов и параметров встроенных средств диагностирования не изменяется. С увеличением показателя достоверности встроенной системы диагностирования D=РР эффект накопления последствий отказов в АКС проявляется в меньшей степени, что позволяет увеличить ее ИАФ. При достижении состояния S фиксируется время обращения к внешней управляющей системе tв(j) и вычисляется время автономного функционирования управляемой системы Ta(j):
в
в
a
д
д
8,11
д
8,9
a
а
где t(j), t(j-1) - модельное время двух последовательных обращений к управляющей системе; j - номер обращения; T(j) - интервал времени между j-м и (j-1)-м обращениями. Величина Т(j) представляет собой время диагностирования ТС управляемой системы с использованием внешней подсистемы диагностирования: Т(j)=T(j) при правильном обнаружении НС и восстановлении работоспособного состояния АКС и Т(j)=T(j) при необнаружении НС и невозможности восстановления работоспособного состояния АКС. Выявление зависимости среднего ИАФ АКС от параметров модели осуществляется по ансамблю реализаций, полученных в результате моделирования. Накопив статистику значений величины T(j) по результатам множества экспериментов, можно построить функцию плотности вероятности ее распределения и оценить среднее значение ИАФ Т с заданной вероятностью, а также получить зависимости этой величины от параметров модели.
Предложенная модель позволяет оценить влияние процесса накопления последствий отказов и увеличения интенсивности их возникновения на величину интервала автономного функционирования АКС, а также сделать выводы о необходимости совершенствования алгоритмического аппарата как встроенных, так и внешних систем диагностирования АКС с высоким уровнем автономности, что является одним из резервов увеличения временных интервалов их автономного функционирования.