Надежность радиоэлектронных средств в развитие систем е-Навигации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 656. 61. 052:621.396.67

НАДЕЖНОСТЬ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В РАЗВИТИЕ СИСТЕМ

Е-НАВИГАЦИИ

Мельник П.В., аспирант, ФГБОУ ВО «ГМУ им. адмирала Ф.Ф. Ушакова» Кешишьян А.Л., к.т.н., доцент кафедры «Судовождения», ФГБОУ ВО «ГМУ им. адмирала Ф.Ф. Ушакова» Попов В.В., д.т.н., профессор кафедры «Судовождение», ФГБОУ ВО «ГМУ им.адмирала Ф.Ф. Ушакова»

В статье предлагается подход к обеспечению работы с радиоэлектронными средствами в концепции Е-навигации при развитии национального сегмента берегового аппаратурно-программного комплекса обеспечивающего при комплексном использовании ЦСУДС, АИИС, ГНСС безопасную обработку судов в зоне ответственности портовых терминалов и подходов к ним. Предложена теоретико-методологическая обработка и математическое обоснование работы радио-электронных средств в периоды использования.

Ключевые слова:оператор РЭС, эргатическая система, РЛС-контроль, вероятность отказа, комплексирование, азимут антенны, ошибка стабилизации, безопасность мореплавания в портовой зоне, Е-навигация, ЦСУДС, АИИС.

THE RELIABILITY OF RADIO ELECTRONIC MEANS IN THE DEVELOPMENT OF

E-NAVIGATION

Мelnik P., the post-graduate student, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime State University» Boran-Keshishyan А., Ph.D, associate professor of the Navigation chair, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University» Popov V., Doctor of Techniques, Professor of the Navigation chair, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University»

The article proposes an approach to support the work with radio-electronic means in the concept of E-navigation in the development of the national segment of coast hardware-software complex provides for a comprehensive use CSDS, AMR, GNSS safe handling of vessels in the area of responsibility of port terminals and approaches to them. The proposed theoretical-methodological treatment and mathematical study of radio-electronic means during periods of use.

Keywords: operator RES, ergatic system, radar control, the probability of failure, integration, the azimuth of the antenna, the error of stabilization, the safety of navigation in the port area, E-navigation, CSDS, aims.

Современное состояние взаимодействия технических средств контроля безопасности судовождения ("операторами" судна), судопро-водки (операторами береговых СУДС) и погрузочно-разгрузочных работ, осуществляемых оперативными бригадами судна и берега, со всеми этими "операторами" неудовлетворительно, т.к. вклад "человеческого фактора" (т.е. воли перечисленных "операторов") в тревожно растущую мировую статистику аварийности на гражданском флоте устойчиво возрастающий. Здесь попытка научного обоснования условных границ эффективного действия разных технических средств контроля безопасности в сферах флотской деятельности для избыточного наложения разных методов объективного технического контроля всей этой деятельности по расширению максимального поля охвата объективным контролем и сведйния к минимуму частоты возникновения случайных опасностей, чреватых происшествиями и катастрофами.

Исследуемая идея "необходимой избыточности" средств технического контроля исправного действия эргатических систем, каковыми должны быть системы обеспечения безопасности мореплавания и экологической безопасности техпроцессов перевалки грузов в портах, основывается на объективной присущности разным методам технического и человеческого контроля ограничений и вытекающих их них недостатков. Наложение разных методов контроля исправного действия эргатических систем, действительно, создаёт избыточное дублирование в значительном поле перекрывания функций каждого из них, но является необходимым для расширения сфер действия одного метода в область малой эффективности другого и т.д., достигая, таким образом, требуемой достаточности системного использования разных методов контроля.

Проблема. Количественные методы определения вероятности выполнения задачи радиоэлектронными средствами РЛС-контроля. Технические средства навигационного контроля на флоте в определяющей степени всё базируются на применениях РЛС. Современные судовые и береговые РЛС - это сложные подсистемы комплексов САРП и СУДС. Количественная оценка эффективности контроля состояния этих сложных объектов сложна, поскольку основывается на многоступенчатых алгоритмах.

Назначением радиоэлектронного комплекса контроля (на базе разнодиапазонных РЛС) является обнаружение целей на море и их контроль. Методически решение задачи может быть представлено следующими этапами:

- радиолокационный обзор поверхности моря для получения радиолокационной карты обстановки (возможности метода весьма ограничены);

- приём отраженных сигналов приемной частью РЛС, селектирование их по дальности и получение на экране электронно-лучевой трубки изображения;

- стабилизация изображения положения объектов на экране индикатора;

- выдача (при сканировании антенны по азимуту) в центр СУДС данных о местоположении судна и другой информации.

Вероятность обнаружения PJIC-целей на водной поверхности в общем случае определяется соотношением:

^обн ^^

где - общее число целей; Ч°бн _ число своевременно обнаруженных (в известных зонах обнаружения) целей.

Выражение справедливо при условии, что события, заключающиеся в появлении и обнаружении целей, могут рассматриваться как многократно и устойчиво появляющиеся. Вероятность надежного обнаружения цели и получения её изображения на экране индикатора РЛС зависит от:

- вероятности Р отказа устройств РЛС ;

Г отк j г ?

- вероятности Рниспр отказа остальных звеньев центра СУДС, в том числе аппаратуры, сопряженной с РЛС (например, электропитания,

и др.);

- вероятности Р нарушения работы системы от всевозможных помех.

При работе центра СУДС в неблагоприятных условиях изображение можно потерять или получить в искажённом виде, что может привести к перебоям выполнения задачи контроля. Вероятность потерять изображение или же сильно его исказить определяется значением Ртб. Поэтому вероятность выполнения задачи данной РЛС в системе управления движением судов определяется:

Р-Р Р Р (\-Р )■ (\ - Р )

обн раб стб\ неиспр / V их/

где отк - вероятность безотказной работы РЛС; ст® не® - вероятность точной стабилизации изо-

бражения при волнении моря. Тогда технико-экономическую эффективность РЛС, работающей в системе управления движением судов, целесообразно определять отношением

Е = Р/С

где С - затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию системы.

Рассмотрим подробнее составляющие вероятности Р, влияющие на эффективность системы .

а) Вероятность обнаружения цели Робн. Дальность обнаружения цели с помощью РЛС является случайной величиной, так как среди большого числа факторов, от которых она зависит, многие являются случайными (например, величина эффективной отражающей поверхности, шумы в приемнике и т.д.). Поэтому дальность обнаружения цели связывается с вероятностью, которая зависит от типа цели, характеристик РЛС, способа поиска цели и дальности до нее.

Вероятность обнаружения цели может определяться опытным путем по частоте появления морских объектов, однако для этого могут понадобиться трудоемкие и дорогостоящие эксперименты. В основе материалов исследований вероятность обнаружения P(L) определяется формулой

ни

¿, 2^(1 -е-")'

где ; (5)

L - горизонтальная дальность до цели; L - максимальная дальность обнаружения, которая получилась при стабильной работе всех параметров РЛС и неизменных условиях поиска; D - максимальная наклонная дальность; Н - высота расположения РЛС; Z - направление на цель (аналог курсового параметра); х - коэффициент, определяемый из таблиц; V - скорость перемещения подвижного объекта, на котором установлен датчик РЛС; Т — среднее время цикла поиска.

Так как существует разброс во времени всех указанных выше параметров, то на практике наблюдается разброс и дальности обнаружения. Следовательно, L будет величиной, вероятностно скрываемой случайностями, а процесс обнаружения цели - вероятностным.

б) Вероятность безотказной работы комплексаРраб. Рассматриваемый радиоэлектронный комплекс контроля относится к восстанавливаемым изделиям. Для характеристики надежности восстанавливаемых изделий следует рассматривать параметры так называемого периода приработки изделия. В этом периоде, с которого начинается эксплуатация комплекса, имеет место повышенная интенсивность отказов элементов. Основными параметрами этого периода, достаточными для практических целей, могут служить продолжительность t|р этого периода и среднее число отказов тр за этот период.

В данном случае период приработки следует учитывать по причине того, что радиоэлектронная система контроля комплексируется на месте расположения нефтетерминала и настраивается здесь же на контроль технологических операций. После окончания периода приработки радиоэлектронного комплекса контроля начинается период нормальной эксплуатации. В этот период поток отказов может рассматриваться, как простейший поток. Поэтому вероятность безотказной работы изделия в течение времени I будет определяться:

W , (6) где Х=1/Т - интенсивность отказов; Т - средняя наработка на отказ, т.е. среднее время безотказной работы.

Поскольку радиоэлектронный комплекс контроля состоит из п составных частей, выход из строя любого из них приводит к отказу всего комплекса, то надежность будет характеризоваться вероятностью безотказной работы:

Р - Р Р Р

,

гдеР Р„ ... ,Р— вероятности безотказной работы элементов. Для каждой составляющей комплекса справедливо равенство:

Р: С ' '

где Я - интенсивность отказа г-го элемента.

Окончательно вероятность безотказной работы всего комплекса, состоящего из «доставляющих примет вид:

(7)

(8)

Р = е =1

раб , (9)

Из этого следует, что при прочих равных условиях более эффективной будет система, состоящая из минимального числа максимально надежных элементов.

Для стабилизации изображения при расположении контролирующей РЛС на подвижном объектеи для целей эффективного контроля технологических операций на нефтетерминале РЛС-система контроля может быть размещена на подвижном объекте, например на ВПУ.

в) Вероятность стабилизации изображения при размещении РЛС на подвижном объектеРстб. Возможны два метода стабилизации изображения: стабилизация основания и косвенная стабилизация антенны в плоскости горизонта. При стабилизации основания антенны точность стабилизации определяется только точностными характеристиками следящих систем по каждой из осей стабилизации: статической и динамической ошибками, а сам угол разворота основания равен углу крена или деферента судна.

При косвенной стабилизации угол наклона зеркала антенны при движении объекта определяется зависимостью:

„ 1 sin a sin г-sin б1 cos а о =--

k eos у cos в , (10)

где а - угол азимута антенны, отсчитываемый от осевой линии судна; у - угол крена, задаваемый судном; в - угол деферента, задаваемый подвижным объектом; k - коэффициент оптической редукции.

Аппаратурная реализация зависимости очень трудоемка, вызывает серьезное усложнение конструкции, увеличение массы и габаритов и, в конечном итоге, ведет к снижению надежности и эффективности всей системы.

При малых углах у, в и д с допустимой для практики точностью может быть аппроксимировано выражением

(12)

д = (1/к)аг^{$>та$>ту-зтбРсоза) (11)

Функциональная схема системы косвенной стабилизации, реализующая зависимость (4.2.10), изображена рис.4.1. Угол наклона зеркала антенны является функцией углов азимута, крена и деферента:

5 = / (а, у ,0 )

Поэтому изменение угла Сбудет равно:

35, 35 , 35 „ а5 =— аа + — <0у +— а0

dа ду 50 (13)

Ошибка стабилизации в основном определяется статической Дс и динамической Дд ошибками следящей системы по наклону. Статическая ошибка системы состоит из ошибок: аппроксимации Да по формуле , ввода сигнала в следующую систему Д нечувствительности

Функциональная схема системы косвенной стабилизации антенны РЛС: 1 - датчик крена; 2 - приёмник крена; 3 - датчик тангажа; 4 - приёмник тангажа; 5 - решающий и вращающийся трансформатор (ВТ); 6 - двигатель азимута; 7, 11 - редукторы; 8 - усилитель

мощности; 9 - ВТ обратной связи; 10 - двигатель наклона.

Ошибка ввода Д^игнала определяется из формулы и составляет полную погрешность решающего устройства:

дв =

д5 / до.

+

I

7-1

'dS^

удхи

Ах; +Ар2

(14)

где £ - ошибка датчика рассогласования:

а, у ,0

' - частные производные функции; х. - переменные величины (в нашем примере

); Др - инструментальное разрешение вычислительного элемента. Если принять поток ошибок стабилизации Ад простейшим, то вероятность стабилизации в заданных переделах будет равна:

Р - 1 ■

сто

-*0/ AS

где k0 - коэффициент, определяемый конструктивными и схемными особенностями следящей системы. Максимальное значение полной ошибки системы Д_, косвенной стабилизации определяется выражением:

А =Д +А +А +А +А„

,

(15)

(16)

Для класса навигационных РЛС максимальная ошибка стабилизации лежит и пределах 0,3-10.

Считая, что каждая из случайных составляющих ошибки системы Б имеет нормальный закон распределения, можно определить ее среднеквадратическое значение:

А.„, =

/

\2

V

/

+

\

/

f

V

\2

v max

/

Л

/

/

V

Л

dmax

/

(17)

Как видно из формул, ошибка системы стабилизации является функцией многих переменных, поэтому, выбирая лучший вариант системы при разработке в модернизации, необходимо учитывать влияние каждой переменной на ее точность.

Отсюда, технико-экономическая эффективность РЛС определяется вероятностями Р, Р „. Р „ Р и Р . Вероятность Р и Р мало

' гт гт г " г обн^ раб стб неиспр пх. г неиспр пх

зависят от параметров РЛС рассматриваемого класса и поэтому считаются заданными и постоянными. Следовательно можно записать :

р — р р р к к

,

(18)

где крк2 - постоянные коэффициенты, пропорциональные 1-Рнеиспр и 1-Р^. Значения Робн,Ррае, Рстб полностью определяются параме^

1

AS

трами РЛС.

Определим математическую модель вероятности выполнения задачи радиоэлектронным комплексом контроля:

( кЛ

ще К=к]'кг

Если рассматривать ошибки стабилизации, как поток с нормальным распределением, то выражение 1 ^ можно заменить

выражением:

(19)

Рстб{а<А5<р) = 1--\=\е 2ад ¿{А8) = Ф

<у8у!2Я

г п ^

V

-Ф

г \

а-т,

/

\

/

(20)

где стд— дисперсия ошибки стабилизации; тд- математическое ожидание от Дд; а, в - пределы значений Дд; Ф - интеграл вероятностей Лапласа.

Эффективность разрабатываемого комплекса может оцениваться формулой:

! 7 \ с

(1-е--) 1-е Д<У

Е =

XX«

V ■/=' '=1

с,Х,У

о + «1уъ<> + свз + сипр + (сД +СР+ С3 + Су

Т + Т„

(21)

При модернизации комплекса с целью улучшения основных частных показатели качества ', его эффективность определяется так

У,

/ 7 \ с К \

(1-е-») е <-' 1-е АЗ

Е =

с0ПЩ"о +свз +Сипр + (сд +СР +с3 +су)

т + т„

(22)

В формулах сомножитель № учитывает, что рассматриваемая система может устанавливается на подвижном объекте. Эффективность рассчитаем, и после ее преобразования получим:

К \

1

-г,А

Е =

С„

а.

ап

К^Ъ4 +свз + с,

К = \

о.

(1-е-')2

с11 А = 1л ;-

г=\

\сд+сР+с3+су)-^_

С и-,г X

(23)

а -Х-

а у

- интенсивность отказов системы;

начальная

стоимость изготовления системы.

а) постоянные для данного класса систем, которые не зависят от конструкции системы. Они неизменны по своей природе (как, например, величины а, а]Ь, х) или же заданы. Например, высота Н, курсовой параметр Z, скорость иц, максимальная наклонная дальность Д , дальность Ь и максимальная дальность обнаружения Ь задаются условием эксплуатации и поэтому при оценке эффективности принимаются постоянными;

б) переменные - частные показатели качества, по которым оценивается эффективность системы, например, ошибка стабилизации Дд, время обзора тц, надежность Я, относительный вес q, стоимости Сизг и Свз ;

в) варьируемые параметры, изменением которых добиваются требуемого значения частных показателей качества, например, интенсивность отказов элементов Я, число элементов п , конструктивный параметр £ средние стоимости элементов ас. и др.

Для одного рассматриваемого варианта системы величины Тц и Дд являются случайными, так как определяются рядом показателей, которые являются случайными (разброс крутизны усилительных ламп и транзисторов, характеристик трансформаторов, скорости вращения двигателей, выходных напряжении электромашинных усилителей, разброс значений напряжения источников питания и т. д.).

Величины I , q и стоимость системы для данного рассматриваемого варианта являются постоянными величинами. Однако, с точки зрения их повторяемости для некоторого количества конкурирующих вариантов систем, подлежащих рассмотрению при выборе практически оптимальной системы, все выше перечисленные величины являются случайными, с более или менее полным объемом информации об их значениях. По мере накопления опыта в процессе освоения ряда изделий, модернизации их, разработки отдельных устройств, будет увеличиваться объем статистических данных по показателям качества и параметрам, определяющим эффективность системы.

Оценка времени технического обслуживания радиоэлектронной системы при а-распределении. Опыт эксплуатации СУДС и АИИС позволяет сделать заключение о том, что регулировки основных частей механического оборудования, подвергающегося износу, а также высоковольтных и сильноточных цепей системы необходимо проводить не реже, чем один раз в квартал, что составляет наработку 20002200 часов. За это время происходит частичное разрегулирование аппаратуры и уход параметров к границе допусков на параметры или за их пределы.

Наиболее подходящей функцией распределения времени наработки до отказа является а-распределение, плотность которого имеет вид:

П Г 1 /о ср

Га/2л

ехр

1 Р

--— — а

2\г

(24)

Оценки параметров а и /3 для береговых РЛС имеют значения а~25 /3-5000-10000. Интенсивность отказов определится по формуле:

(-р + а-/1)"

Р(0 = 0.5 ■ ег/

НО =

0.707-

- 0.5 ег/(- 0.707р + 0.707а)

Ф — ехр г1 Л/27т 4 [Н 2

0.5 ■ ег/ 0.707 '("Э-ьа-0 - 0.5ег/{- 0.707р + 0.707а.)

(25)

134 ТКАШРОКТ БШШБББ Ш КШБТА | №5 2017 |

затраты при простое отказавшего оборудования и затраты на его восстановление на порядок выше затрат на техническое обслуживание этого оборудования и в среднем за указанный выше период времени ориентировочно составляют, соответственно, с1=10000 руб. и с2=1000 руб.

Оптимальная периодичность технического обслуживания системы. Результаты расчета показывают, что оптимальный период профилактического обслуживания системы составляет порядка 7=2,7 мес. и соответствует квартальной периодичности регулирования определяющих параметров, для чего требуются соответствующие квартальные восстановительные работы. Использование более точной модели, а именно а-распределения Дружинина с экспериментально известными параметрами в и а, позволяет уточнить время оптимального обслуживания.

Длииа интервала между обновлениями находится так:

Т0бн

Т, еслиТ < Тх Т^еслиТ > Г,

Отсюда следует, что

т\ т\ м[т„г,Л = \tf\tydt + тх [1 - г (Г,)] = / [1 - 1Чп\к

О О

Средняя удельная стоимость потерь рассчитываем :

SVJT,) =

S _cxF(Tx) + c2[\-F(Tx)]

J [\-F(tj\dt

о

(27)

(28)

(29)

Дифференцируя эту функцию и приравнивая производную нулю, получаем:

с2

= -F (Тх) + /1(7^ ) j [l -F(t )\it

12 0 , (30)

Приведем достаточные условия существования одного конечного корня Т1 данного уравнения: с>с2, т.е. средняя стоимость с1 всех затрат, связанных с отказами и последующим восстановлением отказавшего устройства, больше средней стоимости с2 всех затрат, связанных с проведением соответствующего вида планового технического обслуживания; Я (¿)>0, т.е. интенсивность отказов монотонно возрастает;

НО-*» при'"*».

Таким образом в береговом сегменте Аппаратно-программного комплекса радиоэлектронных средств составляющих обязательное условие для безопасной работы по обеспечению обработки судов на портовых терминалах достаточным будет выполнение рекомендаций эксплуатации и регламента периодического обслуживания.

Литература:

1. Пугачев В.С. Определение оптимальной системы по произвольному критерию. - Автоматика и телемеханика, 1958, т.19, №6, с. 519-539.

2. Салуквадзе М.Е. Об оптимизации векторных функционалов. - Автоматика и телемеханика, 1971, № 8, с. 5-15; № 9, с. 5-15.

3. Солодовников В.В. Некоторые вопросы теории и принципы построения аналитических самонастраивающихся систем. В кн. Аналитические самонастраивающиеся системы автоматического управления. - М.: Машиностроение, 1965, с. 9-32.

4. Типугин В.Н., Вейцель В.А. Радиоуправление. - М.: Сов. радио, 1962, 751 с.

5. Ушаков И.А., Коненков Ю.К. Оценка эффективности функциональной сложной ветвящейся системы с учетом надежности. В кн. Кибернетику на службу коммунизма. - М.: Энергия, 1964, с. 205-212.

6. Чернецкий В.И. О технико-экономическом подходе к выбору основных параметров новых технических средств автоматического управления. - Техническая кибернетика, 1963, с.44-55.

7. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. - М.: Машиностроение, 1968, 247 с.

8. Концепция е-Навигации, разработанная ИМО [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.internavigation.ru/news. phtml?n=103

9. Е-навигация и РИС: Анализ технологий и примеры возможных реализаций проектов береговых систем [Электронный ресурс] -Режим доступа URL: ftp://ftp.marsat.ru/Forum2011/modeev_transas.doc

10. Проблемы реализации концепции е-Навигации [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://rudocs.exdat.com/docs/index-498853.html?page=10.