CC BY
138
УДК 623.61
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-221-227
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ (СЕТИ) СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ПОКАЗАТЕЛЮ
УСТОЙЧИВОСТИ
С.Г. Голубцов, А.В. Аскерко, А.В. Милашевский, А.С. Легкий
Актуальность данной статьи заключается в том, что для системы (сети) связи специального назначения оценка эффективности сводится в основном к определению ее возможностей и выявлению степени их соответствия предъявляемым требованиям. Поэтому задача оценки эффективности в общем виде состоит в определении значений необходимых показателей (параметров) системы (сети), их сравнении с требуемыми и обобщению полученных результатов. Следовательно, задача оценки эффективности есть одна из задач анализа системы (сети) связи (системного анализа).
Ключевые слова: система связи, сеть связи, показатель, критерий, устойчивость, живучесть, надежность, помехоустойчивость.
Эффективность системы (сети) связи специального назначения выступает в качестве важной категории теории и практики боевого применения войск связи, отражающей результат проявления всей совокупности факторов и условий, которые определяют ход и исход обеспечения связи, а значит и организации управления [1].
Эффективность функционирования системы (сети) связи специального назначения рассматривается как мера обобщенного (интегрального) свойства, характеризующая степень ее соответствия своему предназначению. Эффективность отражает качество функционирования системы (сети) связи в данных условиях обстановки и показывает, насколько успешно решаются задачи связи в бою.
Оценка эффективности системы связи может осуществляться на различных этапах ее синтеза (построения) и функционирования. Поэтому основными этапами оценки эффективности функционирования системы связи являются: оценка эффективности функционирования элементов (объектов) системы связи; оценка эффективности функционирования каждой составной части системы связи; оценка эффективности функционирования системы связи в целом [1].
Эти этапы отражают различные уровни оценки эффективности системы связи. Для всех этапов оценки эффективности системы (элемента, сети) связи специального назначения характерна одинаковая общая последовательность действий, которая состоит из определения целей и задач оценки эффективности, выбора показателей и определения критериев эффективности, выбора (построения) моделей для расчета показателей эффективности, подготовки исходных данных для расчета показателей эффективности, проведения расчетов для оценки эффективности, анализа результатов расчетов и принятия решения.
Необходимость определения целей и постановки задач оценки эффективности вызывается не только этапом оценки, но и тем, какой тип рассматриваемой системы (элемента, сети и т.п.) подлежит исследованию: действующей, планируемой или разрабатываемой перспективной. При этом уточняется, что необходимо получить в результате оценки, в каком виде и как они (результаты) будут использоваться.
Одним из важных и ответственных вопросов оценки эффективности является выбор показателей и определение критериев. Учитывая предъявляемые требования, в результате оценки эффективности желательно получить обобщенную характеристику (показатель), отражающую все структурные и функциональные свойства системы (элемента, сети) связи.
Однако создать математическую модель для расчета такого показателя, отражающего все многообразие свойств системы (элемента, сети) в динамике их функционирования пока не представляется возможным. К тому же свойства связи и системы связи чрезвычайно разнородны, противоречивы относительно изменений параметров системы и внешних условий ее функционирования и требуют, как правило построения своих моделей для расчета. Вследствие этого не принесли успеха также попытки введения для системы связи обобщенного показателя путем свертки показателей различных свойств и использования весовых коэффициентов. Именно по-
221
этому считается, что комплексная всесторонняя и объективная оценка эффективности системы связи, ее элементов и сетей связи может быть осуществлена с помощью системы показателей и критериев [2].
Для каждого этапа (уровня) оценки эффективности и типа рассматриваемых систем связи специального назначения, их частей и элементов возможна своя система показателей, включавшая обычно основной и дополнительные показатели. При выборе основного показателя целесообразно исходить, прежде всего, из основного предназначения системы (элемента, сети) [1].
Основным предназначением системы (сети) связи специального назначения является обеспечение своевременного обмена всеми видами сообщений (пакетов) в системе управления войсками и силами.
Способность системы связи выполнять эту задачу определяется временем передачи сообщений Шер и вероятностью своевременной передачи сообщений Рпер как вероятности того, что время передачи сообщения не превысит допустимого Р (Мер < Тпер доп). В соответствии с тем, что в настоящее время системы связи создаются на основе средств и комплексов связи, обеспечивающих пакетную передачу сообщений, в качестве показателя своевременной передачи сообщений предлагается использовать время 1дост. пак и вероятность Рдост. пак своевременной доставки пакета [3]. Время доставки пакета при пересылке от отправителя к получателю определяется следующим выражением:
1дост. пак — 1пк " " tбуф, (1)
где 1пк - время задержки пакетизации, определяемое временем, необходимым на выполнение операции преобразования сигнала и его пакетизацию; 1з - время задержки переноса пакета, определяемое временем прохождения пакетов по узлам коммутации (узлам связи) сети связи, которое зависит от используемых технологий и числа различных сетевых устройств, включенных в маршрут прохождения пакетов, а также от производительности (технических характеристик) устройств, осуществляющих пересылку пакетов; - время задержки на приемной стороне в буфере джиттера, определяемое временем работы устройств на узле получателя. Вероятность своевременной доставки пакета определяется выражением:
Рдост.пак — 1 - ехр1(2) где 1доп - допустимое время доставки пакета и 1дост.пак - реальное (рассчитанное) время доставки пакета.
Но, рассчитав время доставки пакета, нельзя гарантировать его стопроцентную доставку. Одним из важнейших параметров, определяющих своевременную передачу сообщений, является устойчивость системы связи. Необходимость достижения заданного уровня устойчивости направлений связи диктуется требованиями к своевременности связи.
Поскольку устойчивость системы связи определяется совокупностью воздействия ряда факторов, необходимо учитывать степень влияния каждого из них в различных условиях обстановки. Действия факторов, обусловливающих живучесть, помехоустойчивость и надежность системы связи или ее элементов, можно с достаточной степенью точности считать независимыми, таким образом обобщенный показатель качества устойчивости системы связи Qуст можно выразить следующей формулой:
Qуст — Сж^ * апа * ССн^ , (3)
где Qж, Qп, Qн - частные показатели качества системы связи, отражающие выполнение требований по живучести, помехоустойчивости и надежности; сж, сп,, а,н - весовые коэффициенты, отражающие степень влияния соответствующего частного показателя на результирующий показатель [4].
В качестве количественных характеристик живучести системы связи и ее элементов в этом случае приняты коэффициент исправного действия по живучести Кж и вероятность выживания Рж системы связи при воздействии поражающих факторов всех видов оружия, применяемого противником. Под вероятностью выживания следует понимать вероятность того, что система связи, элемент системы (узел связи, направление, канал, средство связи) сохраняет свою работоспособность на уровне, не ниже требуемого Ржтр. Вероятность выживания определяется из выражения:
Рж — 1 - Рп , (4)
где Рп - вероятность поражения системы связи (элемента системы).
Коэффициент исправного действия по живучести определяется по следующей формуле:
Киж = 1 , (5)
где а1- весовой коэффициент отражающий степень важности 7-го элемента системы связи; п -количество элементов системы связи.
Критерием оценки степени живучести системы связи служит выражение Кж > Кж тр. Требуемая степень живучести системы связи Кж.тр как правило, должна быть не хуже 0,97-0,99 [5].
Наиболее часто в качестве показателя качества системы связи, характеризующего его живучесть, принимается коэффициент исправного действия, таким образом Qж=КuЖ.
Помехоустойчивость системы связи определяется состоянием таких ее составляющих как помехозащищенность, электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств [4].
Количественно помехозащищенность можно оценить коэффициентом исправного действия при радиоэлектронном подавлении противника Ки рэп, который определяется выражением:
Ки рэп 1 Рпр*Рэп*Рt*Рвскр, (6)
где Рпр - вероятность принятия решения на подавление; Рэп - вероятность энергетического подавления; Р' - вероятность временного контакта; Рвскр - вероятность вскрытия системы связи противником.
Составляющие вероятности можно определить по следующим формулам:
0,75,:вскр-Тбд
Рвскр =-е 0,6вкр , (7)
где tвскр - среднее время необходимое противнику для вскрытия системы связи (имеется информация о 80% элементов системы связи), определяется возможностями средств разведки противника
к * N
р = , (8)
пр N
1У ЛС
где Nпп - количество постановщиков помех противника; ^с - количество линий связи; к - коэффициент характеризующий возможности постановщиков помех.
12
Р =7-5-Т, (9)
t +' )(' +t )
V рп вх'\ рп рс /
где рп - время реакции средств подавления; ?рс - время реакции средств связи; 'ох - время вхождения в связь после принятия мер.
Е - Е
Рэп = 1 - Ф(-^-'-), (10)
т
где Етр - требуемое соотношение напряженностей полей помехи и сигнала в точке приема; -Ъ -соотношение действующих напряженностей полей и сигнала в точке приема; т - средне квадратичное отклонение соотношения напряженности помехи и сигнала; Ф(Х) - функция Лапласа.
Широкое применение в Вооруженных Силах радиоэлектронных средств различного назначения создает сложную радиоэлектронную обстановку в войсках и на пунктах управления, что приводит к взаимным помехам и требует решения вопросов обеспечения их электромагнитной совместимости.
Количественно влияние электромагнитной совместимости на функционирование системы связи можно выразить коэффициентом исправного действия Ки.эмс, который определяется из выражения:
Ки мс = Ф
- г ^
тр
а2
(11)
где 1 - среднее значение соотношения мощности сигнала Рс и уровня помехи Рп на входе приемника; 2тр - требуемое отношение мощности сигнала к мощности шума в дБ; а - среднеквадратичное отклонение мощности сигнала от мощности шума.
В целом помехоустойчивость системы связи (элемента системы) оценивается коэффициентом исправного действия Кип и средним временем исправной работы Тип в условиях радиоэлектронного подавления каналов связи противником, несоблюдения требований электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, воздействия высотных ядерных взрывов, случайных (непреднамеренных) помех и определяются с помощью выражений:
Кип = /(Ки.рп, Ки.эмс Киев, Ки.с.п) , (12)
Тип = f (Ти.рп-, Ти.эмс, Ти.ее, Ти.с.п) , (13)
где Ки.рп, Ки.эмс, Ки.вв, Ки.с.п, Тп.рп, Тп.эмс, Тп.вв, Тп.с.п - коэффициенты исправного действия и среднее время исправной работы системы (элемента системы) в условиях, воздействия высотных ядерных взрывов, случайных (непреднамеренных) помех.
Исходя из определенных выше частных показателей качества системы, обеспечения их одинаковой размерности, в качестве частного показателя качества системы связи характеризующего ее помехозащищенность целесообразно принять коэффициент исправного действия системы в условиях радиоэлектронного подавления, нарушения требование электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, т.е. Qж=Кип.
При рассмотрении вопросов надежности систем связи необходимо различать уровни простых и сложных систем [6].
Надежность простых систем формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность (восстанавливаемость) и сохраняемость.
Для оценки безотказности используется вероятность исправной (безотказной) работы системы (элемента системы, средства связи) в заданном интервале времени:
Тбд
Т
Рб (0 = е ср, (14)
где Тбд - период боевых действий, в течении которого необходимо оценить безотказность; Тср -среднее время наработки на отказ.
Показателем ремонтопригодности является вероятность того, что отказавшее изделие будет отремонтировано в заданное время после отказа.
Время затрачиваемое на обнаружение и устранение отказов является случайной величиной закон распределения которой приближается к экспоненциальному и может быть вычислено по следующей формуле:
^в.тр
Рв = 1- е *вср , (15)
где f втр - требуемое время на восстановление; 1в.ср - среднее время восстановления.
Время восстановления зависит от ряда факторов: характера отказа, условий его отыскания, технологии восстановления (ремонта), квалификации специалистов и др. Естественно, не учитываются при этом затраты времени на ожидание ремонта. В реальных же условиях, особенно в условиях боевых действий, время нахождения средств связи в ремонте может и превышать время восстановления во много раз за счет затрат времени на доставку средств в ремонтные органы, ожидания в очереди на ремонт, доставку из ремонтных органов.
В соответствии с положениями теории надежности на практике используют комплексные показатели надежности, характеризующие безотказность и ремонтопригодность (восстанавливаемость) одновременно. Примером такого показателя может служить коэффициент надежности Кн, который определяется следующим выражением:
Кн =Рб + (1 - Рб) * Рв. (16)
Сохраняемость (a(t)) - вероятность того, что система сохраняет работоспособность в течение заданного срока хранения в определенных условиях и является аналогом вероятности безотказной работы при хранении.
t T
a(t) = e хр , (17)
где Тхр - средняя наработка на отказ при хранении, равная математическому ожиданию времени между двумя последующими отказами.
Кроме вышеперечисленных вероятностных характеристик надежности на практике для оценки надежности реальных систем также применяют следующие статистические показатели: коэффициент готовности, коэффициент технической исправности и коэффициент технического использования.
Коэффициент готовности Кг показывает вероятность того, что объект (средство, комплекс связи) окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается:
Кг = Ти . (18)
г Т„ + Т„
в
Для средств, комплексов связи, линий связи, состоящих из п последовательно соединенных элементов (участков линии связи) коэффициент готовности определяется произведением коэффициентов готовности каждого элемента, а для п параллельно соединенных - по соотношению
Кг = 1 -П (1 " Кг1). (19)
1=1
Требования по среднему времени исправной работы (наработка на отказ) и среднему времени восстановления определяются в тактико-техническом задании на разработку конкретных средств комплексов, систем связи и уточняются в период их приемки на вооружение в ходе государственных испытаний.
Коэффициент технической исправности Кит показывает вероятность того, что объект (средство, комплекс связи) будет находиться в исправном состоянии с учетом реальных условий эксплуатации (применения) и организации войскового ремонта:
Т
К =-2-, (20)
ит т | Т
и рем
где Трем - среднее время, необходимое для проведения ремонта в войсковых условиях с учетом всех затрат времени, связанных с организацией ремонта.
Коэффициент технического использования Кт.и показывает отношение суммарного времени исправной работы средства, комплекса связи, канала связи за некоторый период эксплуатации (месяц, квартал, год и пр.) к суммарному времени исправной работы, ремонта и технического обслуживания за этот же период и определяется по формуле:
п
У г ■
/ 1 ил
Кти =---]-, (21)
^г . + У г , + У г б .
и 1 / , рем к / , обсл.] 1=1 к=1 ] =1
где *рем.к, гобсл.] - время исправной работы на /-том интервале эксплуатации, плановых и внеплановых ремонтов на к-том интервале эксплуатации, плановых и неплановых технических об-служиваний на .-том интервале эксплуатации; п -количество интервалов времени за весь оцениваемый период эксплуатации.
Отличительными чертами сложных систем, к которым относятся современные системы связи, являются: многоканальность, т. е. наличие нескольких каналов, каждый из которых выполняет определенную функцию, частную по отношению к общей задаче системы; много-связность, т. е. большое количество функциональных связей между элементами системы; наличие вспомогательных и дублирующих устройств [4].
Благодаря перечисленным особенностям сложная система может находиться в нескольких рабочих состояниях, так как выход из строя некоторых ее элементов не вызывает полного отказа системы, т. е. прекращения выполнения ею заданных функций, но ухудшает в той или иной степени качество функционирования. Следовательно, отказ элемента переводит систему из состояния с полной работоспособностью в состояние с частичной работоспособностью.
В целом высокая устойчивость системы связи достигается выполнением всего комплекса мероприятий, направленных на повышение живучести, помехоустойчивости и надежности системы связи [4].
Устойчивость системы на информационном направлении можно оценить коэффициентом исправного действия Ки, коэффициентом простоя Кп,, средним временем исправной работы Ти, средним временем простоя Тп отнесенные к отдельному каналу, направлению связи или средству, комплексу связи.
У
K и = JT~. (23)
общ
n
У t
/ j m
Tu = , (24)
n
где Тобщ - общее время работы и простоя элементов системы связи на информационном направлении, в течении которого определяется коэффициент; tni - длительность времени исправной работы элементов связи на информационном направлении на /-том интервале; n - количество интервалов времени исправной работы на информационном направлении.
m
У t .
¿—i mi
Кп = ^T-, (25)
общ
m
У t.
¿—i mi
Тп = (26)
m
где tmj - длительность времени простоя элементов связи на информационном направлении на j-том интервале; m - количество интервалов времени простоя на информационном направлении.
Коэффициент исправности (простоя) имеет как временную, так и вероятностную трактовку. Временная (статистическая) характеристика Ки показывает долю времени, в течении которого канал (направление, средство) связи сохранял свою работоспособность, то есть имелась возможность обеспечивать информационные процессы в системе управления с заданными своевременностью, достоверностью и безопасностью. В данном случае Ки применяется для оценки устойчивости канала, направления, средства связи, за данный прошедший промежуток времени (за период дежурства, сутки, неделю, месяц и пр.). Количественно Ки в этом случае может выражаться в долях (например Ки =0,7) или в процентах (Ки =80 %).
В вероятностном смысле Ки определяется как вероятность того, что канал (направление, средство) связи будет исправным (работоспособным) в любой произвольно выбранный момент времени. В этом случае Ки применяется для прогнозирования (априорной оценки) устойчивости развертываемой системы связи (канала, направления, средства).
Количественные значения показателей устойчивости каналов (направлений) связи задаются нормативными документами, исходя из требований своевременности, достоверности и безопасности связи при передаче сообщений различных приоритетов и объемов для наиболее жестких оперативно-тактических условий. При этом учитываются звено управления, степень важности направлений связи в каждом звене управления, рода и виды связи [7].
Так, значения требований по устойчивости Ки каналов радиосвязи в диапазоне KB составляет 0,85 - 0,91. В то же время устойчивость любого спутникового канала связи должна быть не ниже 0,96 - 0,99.
Таким образом, предложенная методика оценки эффективности функционирования системы (сети) связи специального назначения по показателю устойчивости является комплексным требованием к системе связи и определяется такими основными ее составляющими как живучесть, помехоустойчивость и надежность. Критерием оценки эффективности функционирования устойчивости системы связи (направления, канала, средства связи) служат выражения Ки > Ки доп; Тп < Тптр , т.е. показатели устойчивости должны быть не хуже требуемых.
Список литературы
1. Мачихо И.О., Кашкаров А.В., Масейчик Е.А., Романовский С.В. Эффективность системы военной связи: учеб. метод пособие. Минск: БГУИР, 2017. 102 с.
2. Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи: учебник для вузов. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 400 с.
3. Дмитрюк А.М., Касанин С.Н., Градусов Р.А., Антоненко И.В. Основы организации связи: учеб.-метод. пособие. Минск: БГУИР, 2012. 150 с.
4. Боговик А.В., Игнатов В.В. Эффективность систем военной связи и методика ее оценки. СПб.: ВАС, 2006. 184 с.
5. Захаров Г.П., Ревельс В.П. Оценка живучести систем связи, М.: ТПС, 1988.
6. Дудник Б.Я. Надежность и живучесть систем связи. М.: Радио и связь, 1984.
7. Ермишян А.Г., Сызранцев Г.В., Дыков В.В. Теоретические и научно-практические основы построения систем связи в локальных войнах и вооруженных конфликтах / под ред. А.Г. Ермишян. СПБ: ВАС, 2006. 220 с.
Голубцов Сергей Георгиевич, канд. воен. наук, доцент, golubcov23@mail.ru, Беларусь, Минск, Учреждение образования «Военная академия Республики Беларусь»,
Аскерко Анатолий Владимирович, адъюнкт, 0295092912@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Милашевский Алексей Викторович, адъюнкт, a. milashevskij@,gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Легкий Алексей Сергеевич, адъюнкт, liohki@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
METHODOLOGY FOR EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF THE FUNCTIONING OF THE SYSTEM (NETWORK) SPECIAL PURPOSE COMMUNICATIONS IN TERMS OF SUSTAINABILITY
S.G. Golubtsov, A.V. Askerko, A.V. Milashevsky, A.S. Liohki
The relevance of this article lies in the fact that for a special purpose communication system (network), efficiency assessment is mainly reduced to determining its capabilities and identifying the degree of their compliance with the requirements. Therefore, the task of evaluating efficiency in general is to determine the values of the necessary indicators (parameters) of the system (network), compare them with the required ones and generalize the results obtained. Therefore, the task of evaluating the effectiveness is one of the tasks of analyzing the communication system (network) (system analysis).
Key words: communication system, communication network, indicator, criterion, stability, survivability, reliability, noise immunity.
Golubtsov Sergey Georgievich, candidate of military sciences, docent, golubcov23@mail.ru, Belarus, Minsk, Educational Institution «Military Academy of the Republic of Belarus»,
Askerko Anatoly Vladimirovich, postgraduate, 0295092912@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Milashevsky Alexey Viktorovich, postgraduate, a.milashevskij@gmail.com, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Liohki Alexey Sergeevich, postgraduate, liohki@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
