王蓬，張金彪，陳剛

(1.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

可靠性是裝備質(zhì)量建設(shè)的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的裝備可靠性研究已較為成熟，形成了一套完整科學(xué)的理論工程體系，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，隨著信息化建設(shè)的推進(jìn)，裝備形態(tài)逐漸地向網(wǎng)絡(luò)化、信息化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，尤其是在軍事通信領(lǐng)域，多種大型復(fù)雜通信與指控系統(tǒng)陸續(xù)開始被研制和裝備部隊，促進(jìn)了戰(zhàn)斗力的生成，但同時也帶來了隱患，例如：系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將無法實現(xiàn)信息溝通，從而直接瓦解戰(zhàn)斗力。因而，軍事通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究越來越受到關(guān)注[1]。

在可靠性研究上，對可靠性概念的認(rèn)知和可靠性參數(shù)體系的建立是關(guān)鍵的第一步，直接影響項目方案階段、工程研制階段和生產(chǎn)使用階段的可靠性論證、設(shè)計、試驗和評估工作的開展。與傳統(tǒng)的裝備不同的是，通信網(wǎng)絡(luò)具有鏈路方式多樣、配置機動靈活和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，通信網(wǎng)絡(luò)的研究和實踐工作中始終沒有解決通信網(wǎng)絡(luò)究竟有哪些故障、什么是通信網(wǎng)絡(luò)可靠性，以及應(yīng)該用哪些參數(shù)來度量通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性等問題。

1 通信裝備網(wǎng)絡(luò)可靠性研究現(xiàn)狀

隨著通信裝備更新步伐的不斷加快，通信裝備的研發(fā)周期愈來愈短，如何在最短的時間內(nèi)，評價研發(fā)、生產(chǎn)各個階段的裝備可靠性，是目前軍事領(lǐng)域急需解決的問題。

目前，研制、生產(chǎn)各個階段的可靠性評估現(xiàn)狀如下所述。

a)對于單機設(shè)備或是由串并聯(lián)模型組成的簡單系統(tǒng)產(chǎn)品，其可靠性水平可利用已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，但是目前的大型系統(tǒng)尤其是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嬖诓淮_定性，按已有的方法難以對其可靠性水平進(jìn)行評估。

b)對于軍用通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)抗毀性是其可靠性的重要組成部分，現(xiàn)有的可靠性試驗僅面向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的設(shè)備來開展的；因此，如何進(jìn)行測度建模，通過仿真試驗來全面反映網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的可靠性水平已成為了大型軍事通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的一大課題。

c)目前，相關(guān)的軍用標(biāo)準(zhǔn)針對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)僅給出了 “故障關(guān)聯(lián)”的相關(guān)要求，如表1所示，缺少 “功能關(guān)聯(lián)” “拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”這些相關(guān)的可靠性參數(shù)，例如：系統(tǒng)功能可用度和完成任務(wù) (功能)的成功率等[2]。

表1 GJB 1909.10-98系統(tǒng)可靠性參數(shù)選擇

基于上述問題，本文建立了基于 “故障關(guān)聯(lián)”“功能關(guān)聯(lián)”和 “拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”的系統(tǒng)可靠性綜合測度體系，并據(jù)此編制了通信裝備可靠性評估仿真軟件，能夠較為全面地仿真評估系統(tǒng)及單機產(chǎn)品的可靠性水平，為通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估提供數(shù)據(jù)支撐，這對合理地安排試驗項目，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個節(jié)點的單機試驗量，節(jié)省試驗經(jīng)費，縮短研制周期，發(fā)現(xiàn)通信裝備系統(tǒng)或單機的薄弱環(huán)節(jié)等有著重要的作用。

2 系統(tǒng)可靠性綜合測度及算法

2.1 系統(tǒng)可靠性綜合測度

隨著信息化裝備的發(fā)展，系統(tǒng)產(chǎn)品組成的復(fù)雜程度越來越高，舊有的以裝備 “故障關(guān)聯(lián)”的基本可靠性指標(biāo)已不能全面地反映系統(tǒng)的可靠性水平。實際上，軍用通信網(wǎng)類產(chǎn)品的設(shè)計者和使用者更為關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行任務(wù)的過程中，部分節(jié)點、鏈路處于失效 (被毀)狀態(tài)下的全網(wǎng)業(yè)務(wù)能力，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、鏈路設(shè)備在某一失效 (或被毀)狀態(tài)下，用戶可容忍的端到端業(yè)務(wù)傳輸?shù)淖钚〕晒β?、最大時延等。故此必須增加系統(tǒng) “功能關(guān)聯(lián)”和 “拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”的可靠性指標(biāo)。

目前，相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)針對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)僅給出了 “故障關(guān)聯(lián)”的相關(guān)要求，如：GJB 1909.10-98《裝備可靠性維修性參數(shù)選擇和指標(biāo)確定要求》建議選擇的系統(tǒng)可靠性參數(shù)中缺少 “功能關(guān)聯(lián)”“拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”相關(guān)的可靠性參數(shù)，即系統(tǒng)功能 (全功能、主要功能和最低功能)可用度和完成任務(wù)(功能)的成功率等。

本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 “故障關(guān)聯(lián)”、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) “拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù) “有效性關(guān)聯(lián)” (含功能與性能)的系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性綜合測度體系 (如圖1所示)。值得指出的是： “故障關(guān)聯(lián)”與 “功能關(guān)聯(lián)”的系統(tǒng)可靠性參數(shù)是基于可靠性試驗工程的 “可測性”提出的； “有效性關(guān)聯(lián)”與 “拓?fù)潢P(guān)聯(lián)”的系統(tǒng)可靠性參數(shù)是基于仿真環(huán)境的 “可測試”提出的，兩者相輔相成將更加全面地完成對軍用通信網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的綜合評估。

同時，對由平均故障間隔時間 (MTBF：Mean Time Between Failure)、平均故障修復(fù)時間 (MTTR：Mean Time To Repair)、基本可用度、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)時延等9個參數(shù)組成的系統(tǒng)可靠性綜合測度體系提出了具體的測度算法。

圖1 系統(tǒng)可靠性綜合測度體系

2.2 系統(tǒng)可靠性測度算法

2.2.1 MTBF

依據(jù)GJB 451A-2005中的定義，MTBF的度量方法為：

2.2.2 MTTR

依據(jù)GJB 451A-2005中的定義，MTTR的度量方法為：

2.2.3 基本可用度

依據(jù)GJB 451A-2005中的定義，基本可用度的度量方法為[3]：

2.2.4 完成任務(wù)的成功率

設(shè) “規(guī)定的任務(wù)剖面”共有M個，某個任務(wù)剖面用m表示； “規(guī)定的功能”集合為S={s1，s2，…，sk}，這里，全功能集合即為S，主要功能或最低功能集合為S的子集，具體地，用si(i=1，2，…，k)表示功能集合S中的第i個功能，如雙工話音功能、分組數(shù)據(jù)傳輸功能等，則任務(wù)剖面m中，能夠完成si=(i=1，2，…，k)功能的成功率為：

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量[1]是單位時間內(nèi)傳輸?shù)臒o差錯的業(yè)務(wù)負(fù)載流量，是綜合衡量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計容量、網(wǎng)絡(luò)效率和業(yè)務(wù)傳輸成功率的綜合性指標(biāo)參數(shù)。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)由N個節(jié)點、M條鏈路組成，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載流量類型共有K類，用集合S={s1，s2，…，sK}表示，這里，業(yè)務(wù)類型即可定義為不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)負(fù)載流量，也可對應(yīng)為不同應(yīng)用層的指控、態(tài)勢和情報等業(yè)務(wù)；再設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i，j=1，2，…，N之間第k類的業(yè)務(wù)負(fù)載流量為Lij(sk)，則sk類業(yè)務(wù)的全網(wǎng)負(fù)載流量與全網(wǎng)的總業(yè)務(wù)負(fù)載流量為：

再設(shè)網(wǎng)絡(luò)仿真試驗測試時間為T，則網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載的平均吞吐量為：

2.2.6 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸時延

設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i，j=1，2，…，N之間第k類業(yè)務(wù)的平均時延為τij(sk)，則sk業(yè)務(wù)的全網(wǎng)傳輸平均時延和全網(wǎng)總的業(yè)務(wù)傳輸平均時延為：

2.2.7 網(wǎng)絡(luò)堅韌度

網(wǎng)絡(luò)堅韌度是為斷開一對節(jié)點 (i，j)之間的所有通路所需去掉的最少節(jié)點數(shù) (最小節(jié)點割集)。網(wǎng)絡(luò)堅韌度分為點堅韌度和邊堅韌度，其中，點堅韌度對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備的損壞情況；邊堅韌度對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中鏈路設(shè)備的損壞情況。

設(shè)C(G)表示圖G的全體點割集構(gòu)成的集合，則其點堅韌度N(G)的定義為：

同理，其邊堅韌度C(G)的定義為：

顯然，C(G)、N(G)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性矩陣E(t)的函數(shù)。

2.2.8 網(wǎng)絡(luò)粘聚度

網(wǎng)絡(luò)粘聚度是為了斷開一對節(jié)點 (i，j)之間的所有通路所需去掉的最少鏈路數(shù) (最小鏈路割集)。

設(shè)CLij分別為斷開一對節(jié)點 (i，j)之間的所有通路所需去掉的最少節(jié)點數(shù)和最少鏈路數(shù)，則網(wǎng)絡(luò)粘聚度為：

顯然，CL是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性矩陣E(t)的函數(shù)。

2.2.9 網(wǎng)絡(luò)加權(quán)端到端連通概率[4]

仿真過程中還可用加權(quán)的端到端連通概率參數(shù)，計算分析其由于節(jié)點、鏈路設(shè)備失效所帶來的連通概率的變化情況，并通過基于業(yè)務(wù)負(fù)載流量的加權(quán)，即節(jié)點對 (鏈路)業(yè)務(wù)負(fù)載流量越重，其對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性影響越重，較合理地對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通性進(jìn)行評估。

設(shè)Lij，Pij分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i，j=1，2，…N在E(t)條件下的端到端的業(yè)務(wù)負(fù)載流量和連通概率，這里，Lii=0，Pii=1，則加權(quán)的網(wǎng)絡(luò)端到端連通概率為：

3 通信裝備網(wǎng)絡(luò)可靠性仿真

3.1 可靠性測試業(yè)務(wù)加載模型

該模型由仿真控制器、網(wǎng)絡(luò)有效性仿真、設(shè)備可靠性仿真和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性仿真終端設(shè)備構(gòu)成分布式仿真系統(tǒng)。各個仿真終端作為分布式仿真的成員依托LAN網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)及各個仿真成員之間的數(shù)據(jù)交互與仿真時鐘的同步。

仿真控制器構(gòu)造整體仿真想定，并將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?E(0))、各節(jié)點 (終端)業(yè)務(wù)負(fù)載流量 (流量模型及參數(shù))、節(jié)點與鏈路可靠性模型與參數(shù)等仿真參數(shù)分發(fā)到各個仿真成員。并由聯(lián)合仿真控制器最終根據(jù)定制情況，給出系統(tǒng)可靠性的綜合評估。此外，也可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際情況，重點關(guān)注某些節(jié)點或鏈路，給出詳細(xì)的針對某節(jié)點、鏈路或某些節(jié)點對之間的業(yè)務(wù)有效性的評估結(jié)論 (業(yè)務(wù)流量的成功率、平均時延等)。

3.2 仿真數(shù)據(jù)的采集與處理原則

系統(tǒng)可靠性試驗及生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集與處理是進(jìn)行軟件仿真的關(guān)鍵 (如圖2所示)，可完成MTBF、MTTR、使用可用度、固有可用度和任務(wù)可用度的計算；通過記錄不同時段剖面內(nèi)各類業(yè)務(wù)的成功率，可完成功能的成功率、功能可用度的計算 [5]。

圖2 可靠性試驗數(shù)據(jù)采集與處理

3.3 系統(tǒng)故障與維修處理算法

仿真過程中設(shè)備是否出現(xiàn)故障是一個服從指數(shù)分布的隨機事件，如何真實地 “模仿”設(shè)備的故障狀態(tài)是一個必須解決的關(guān)鍵問題。

3.3.1 故障處理算法

由于故障數(shù)決定了系統(tǒng)運行的可用度，仿真過程中，必須模擬 “故障發(fā)生”，基于實際故障發(fā)生是隨機概率事件的原則，我們利用已知的節(jié)點固有特征壽命和節(jié)點已仿真的運行時間，計算得到了故障發(fā)生的門限值，并通過隨機數(shù)函數(shù)產(chǎn)生0～1之間的均勻分布值，將該分布值與門限值進(jìn)行比較，當(dāng)分布值小于門限值時，定義為故障，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)故障定義圖

計算系統(tǒng)各個節(jié)點的故障發(fā)生門限值 (瞬時失效概率)，系統(tǒng)第i個節(jié)點失效的概率為：

式(17)中：t——該節(jié)點截止目前已連續(xù)工作時間；

λ——該節(jié)點的失效率。

3.3.2 故障維修性處理算法

由于各個節(jié)點的MTBF觀測值是累計正常工作時間與故障數(shù)的比值，因此故障發(fā)生時，必須計算故障修復(fù)時間；對于仿真系統(tǒng)，無法實際地統(tǒng)計故障修復(fù)時間。基于電子產(chǎn)品的失效多為正態(tài)分布，我們采用以MTTR為中心的正態(tài)分布的隨機數(shù)，取整后作為該節(jié)點的修復(fù)時間同時即為節(jié)點的退網(wǎng)時間，詳細(xì)情況如圖4所示。

圖4 維修時間定義圖

3.4 仿真實現(xiàn)

3.4.1 設(shè)計原則

基于系統(tǒng)可靠性綜合測度體系及相關(guān)的測度算法模型，建立通信系統(tǒng)裝備可靠性仿真分析與評估平臺，實現(xiàn)對通信系統(tǒng)可靠性綜合分析與評估，為系統(tǒng)可靠性設(shè)計、分析與鑒定提供有效的手段。

3.4.2 實現(xiàn)功能

a)仿真想定的建立編輯

系統(tǒng)通過引入Ext JS框架入，實現(xiàn)了節(jié)點、鏈路添加的隨意拖拽，節(jié)點、鏈路設(shè)備狀態(tài)變換的顏色形狀改變，以及圖形、樣式的隨意變更。

b)仿真過程的實時監(jiān)控

系統(tǒng)在仿真過程中，可實時地監(jiān)測各個節(jié)點的仿真狀態(tài)，可顯示仿真節(jié)點的累積故障次數(shù)、累積故障時間和累積運行時間等可靠性相關(guān)信息并按圖5-6所示的方式在系統(tǒng)主界面中顯示。

圖5 系統(tǒng)實時仿真狀態(tài)顯示圖

圖6 系統(tǒng)節(jié)點實時狀態(tài)顯示圖

c)仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析

1)根據(jù)系統(tǒng)可靠性參數(shù)的選擇，分析各種系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計計算功能；

2)分析系統(tǒng)可靠性綜合評估功能。

3.5 仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

為了驗證本仿真系統(tǒng)的效果，以“通信裝備可靠性仿真評估系統(tǒng)”為平臺工具，以某電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成聯(lián)試任務(wù)為背景，構(gòu)建典型的最小規(guī)模系統(tǒng)。

3.5.1 系統(tǒng)仿真想定

系統(tǒng)仿真想定構(gòu)成包括1個由5個節(jié)點構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)電臺網(wǎng)。

在系統(tǒng)仿真想定中，各個節(jié)點(圓圈數(shù)字標(biāo)號)的主要設(shè)備構(gòu)成及基本互聯(lián)關(guān)系如圖7所示，對應(yīng)的系統(tǒng)仿真想定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖8所示。

3.5.2 系統(tǒng)仿真過程與結(jié)果

a)計算 (集成)節(jié)點的MTBF

依據(jù)節(jié)點設(shè)備串聯(lián)可靠性計算模型，完成系統(tǒng)仿真想定的各個節(jié)點的MTBF的計算。

b)運用通信裝備可靠性仿真評估系統(tǒng)，完成系統(tǒng)仿真計算

1)仿真初始階段

首先，利用仿真評估系統(tǒng)的顯示模塊將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭斎胲浖?，如圖8所示；

然后，將系統(tǒng)的各個組成節(jié)點參數(shù)輸入到軟件數(shù)據(jù)模塊中；

最后，設(shè)定系統(tǒng)的總仿真時間和最短仿真時間。

2)仿真過程中

在仿真過程中，隨著仿真時鐘的不斷推進(jìn)，按照各個節(jié)點設(shè)備預(yù)先輸入的失效率和概率分布，依托仿真時鐘，以及以前各個仿真時刻節(jié)點的工作狀態(tài)，模擬節(jié)點、鏈路設(shè)備的故障和故障設(shè)備的維修過程。

圖8 戰(zhàn)術(shù)電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真拓?fù)鋱D

圖7 戰(zhàn)術(shù)電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析邏輯拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)有效性與拓?fù)溥B通性仿真由軟件根據(jù)仿真過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)連通性矩陣E(t)計算。其中，網(wǎng)絡(luò)有效性仿真會針對新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，運行相關(guān)的動態(tài)組網(wǎng)協(xié)議，并實現(xiàn)其路由算法的收斂過程，統(tǒng)計相關(guān)業(yè)務(wù)負(fù)載流量的成功率、時延等業(yè)務(wù)參數(shù)指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)連通性仿真會依據(jù)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，重新計算其網(wǎng)絡(luò)的連通度、粘聚度和加權(quán)連通概率等參數(shù)，并最終統(tǒng)計出網(wǎng)絡(luò)連通度、粘聚度的變化結(jié)果。

表2 戰(zhàn)術(shù)電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成聯(lián)試測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

在仿真過程中，可按照仿真想定，由各個聯(lián)邦成員將其中間統(tǒng)計結(jié)果，以及自身的仿真運行狀態(tài)發(fā)送于聯(lián)合仿真控制器，由聯(lián)合仿真控制器監(jiān)視系統(tǒng)總體仿真的狀態(tài)，并可隨時終斷仿真。

3)仿真結(jié)束后

仿真結(jié)束后，由聯(lián)合仿真控制器最終根據(jù)所定制的情況，給出系統(tǒng)可靠性的綜合評估。

c)系統(tǒng)仿真分析

1)某電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體性能

該戰(zhàn)術(shù)電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成聯(lián)試測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。

經(jīng)測試數(shù)據(jù)整理，通過統(tǒng)計分析可得，網(wǎng)絡(luò)總體性能為：平均成功率為97.9%；平均時延為14.4 s。

2)某電臺互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng) (設(shè)備)固有可用性

通過仿真的統(tǒng)計結(jié)果分析，系統(tǒng)總體的固有可用性為：0.873。

3)綜合分析結(jié)論

通過系統(tǒng)有效性與系統(tǒng)故障關(guān)聯(lián)性能指標(biāo)分析可得，戰(zhàn)術(shù)電臺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體性能基本滿足設(shè)計要求，能夠支持指揮控制信息系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。

4 結(jié)束語

對于大型系統(tǒng)而言，受試驗設(shè)備的限制，無法進(jìn)行全系統(tǒng)的可靠性試驗，對其可靠性試驗僅限于反映系統(tǒng)組成節(jié)點的可靠性及修復(fù)能力的單一指標(biāo) (可用度)。而且，由于受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、試驗場地和保障條件的限制，一般較難進(jìn)行工程實施，并且試驗費用巨大，試驗周期長。因此，本項目的研究與開發(fā)填補了系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性試驗仿真工程的空白，并且將大大地節(jié)省試驗費用。

本文的研究成果依托某電臺互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了試用及驗證，結(jié)果表明該研究成果具有一定的實用價值，具有非常良好的推廣應(yīng)用前景和軍事經(jīng)濟(jì)效益。