CC BY
2УДК 621.396 DOI: 10.24412/2782-2141-2024-3-67-73
Обобщенная модель функционирования системы электроэнергетического обеспечения
носимых и портативных радиостанций
Морозов А. Н.
Аннотация. Цель: разработка модели системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций в интересах создаваемой системы их электроэнергетического обеспечения. Методы: в работе используются методы теории надежности, в частности - расчет такого комплексного показателя надежности как коэффициент оперативной готовности. Новизна: поскольку во многих предшествующих исследованиях авторы при формировании системы электроэнергатического обеспечения далеко не в полной мере учитывали взаимосвязь между её структурой и условиями использования аккумуляторных батарей и средств заряда, то в предложенной модели данное обстоятельство учитывается. При этом в модели в качестве частных показателей эффективности наряду с временем разряда аккумуляторных батарей в радиостанциях, временем обслуживания аккумуляторной батарей в полевой зарядной базе, учитывается также и время перемещения (доставки) аккумуляторной батареи от радиостанций к полевой зарядной базы и обратно, позволяя оценить эффективность электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций системы радиосвязи. Результат: Дано определение системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций, указана ее основная задача, а также роль и важность в обеспечении функционирования вышестоящей системы. Представлена разработанная обобщённая структурная схема и варианты построения системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций, а также частные показатели ее эффективности. Показаны критерии оценки технической и экономической эффективности системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанции. При этом обобщённая модель функционирования перспективной системы электроэнергетического обеспечения представлена в виде функциональной схемы существующего варианта её построения с размещением подвижной зарядной базы на пункте управления подразделения, т. е. при максимальном удалении от переднего края (специальных позиций).
Ключевые слова: аккумуляторные батареи, зарядные средства, носимые и портативные радиостанции, обеспечение электроэнергией, система электроэнергетического обеспечения.
Введение
Одной из важных составляющих системы связи является система радиосвязи (СРС), организуемая на основе носимых и портативных радиостанций. При этом обеспечение портативными радиостанциями существенно возросло в настоящее время. Данное обстоятельство увеличивает нагрузку на электроэнергетическое обеспечение СРС, поскольку общее количество портативных и носимых радиостанций весьма велико.
Неотъемлемой составной частью СРС являются средства заряда, накопители электроэнергии (НЭ), обеспечивающие функционирование радиостанций, и средства доставки НЭ к средствам заряда. Автором предлагается разобщенные элементы обеспечения функционирования радиостанций рассматривать как единую систему - систему электроэнергетического обеспечения (СЭО), которая представляет собой совокупность технических сил и средств, предназначенных для обеспечения электроэнергией носимых и портативных средств радиосвязи в необходимом количестве, требуемого качества в заданном районе выполнения задачи [1, 2].
В общем случае структура СЭО определяется организационно-тактическим построением специальных подразделений и представляет собой многоуровневую иерархическую систему взаимодействующих органов и должностных лиц, технических средств (аккумуляторные
батареи (АКБ) зарядные средства (ЗС)), а также включает в себя маршруты и средства доставки АКБ на заряд и обратно после заряда в подразделения.
Совершенствование и расширение функций СРС приводит к всевозрастающей, зачастую запредельной нагрузке на систему электроэнергетического обеспечения, что, в свою очередь, определяет необходимость ее доработок для обеспечения необходимого уровня эффективности.
В настоящее время СЭО имеет ряд недостатков, поскольку в ранее проводимых исследованиях при разработке конкретных технических средств СЭО (АКБ, зарядные устройства (ЗУ), ЗС и т.п.), не уделялось должного внимания вопросам их эффективного использования и взаимоувязывания в системе, а также определения комплексных параметров, которые существенно влияют на технический уровень СЭО в целом [3-5]. Кроме того, многолетние исследования автора в данной предметной области позволяют сделать вывод о том, что многие ученые при формировании СЭО далеко не в полной мере учитывали взаимосвязь между структурой СЭО и условиями использования СРС [6, 7]. Таким образом, можно сделать вывод о том, что вопрос исследования эффективности СЭО СРС, является актуальным.
Основное содержание модели системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций
Обобщённая модель функционирования СЭО представлена в виде функциональной схемы существующего варианта построения СЭО с размещением подвижной зарядной базы (ПЗБ) на пункте управления (ПУ) подразделения, т. е. при максимальном удалении от специальных позиций (рис. 1).
Рис. 1. Обобщённая модель функционирования СЭО
Каждый канал заряда характеризуется входом, процессом заряда, выходом и обратной связью. Часть АКБ могут находиться в ожидании очереди заряда, поскольку количество поступающих на заряд АКБ превышает количество каналов заряда в ПЗБ.
Основным условием функционирования СРС в специальных условиях является непрерывная работа радиостанций. Это условие может быть выполнено в том случае, если за время разряда одной АКБ, к радиостанции будет доставлена другая заряженная АКБ. Как следует из рис. 1, разряженные АКБ доставляются на пункты сбора АКБ (ПСАБ), организуемых на специальных позициях, например, на контрольных пунктах подразделений
непосредственно членами подразделений. Дальнейшее перемещение АКБ осуществляется с помощью транспортного средства. Доставка АКБ к ПЗБ и обратно к радиостанциям может быть длительной, что затрудняет своевременную поставку заряженных АКБ к радиостанциям. Процесс доставки АКБ на заряд и обратно может быть существенно изменён путём приближения зарядных средств (ПЗБ, ЗУ) к местам эксплуатации радиостанций (МЭР).
В первом варианте на заряд доставляются все АКБ в масштабе всего подразделения, а ПЗБ размещается на самом большом расстоянии от МЭР. Для перевозки АКБ требуется транспортное средство с высокой проходимостью. Одним из способов сокращения длительности перемещения АКБ является вариант СЭО с размещением ПЗБ на пункте одного из подразделений. В этом случае требуется несколько ПЗБ (по количеству подразделений) и транспортные средства с высокой проходимостью, однако, сокращается количество заряжаемых АКБ на один канал заряда в ПЗБ. Далее рассматривается возможность размещения многоканальных ЗУ. При этом ЗУ размещается в машине руководителей, а доставка АКБ на заряд и обратно осуществляется с помощью выделенных для этой цели лиц, эксплуатирующих радиостанции. Время доставки АКБ на порядок меньше, чем в вышерассмотренных вариантах, и, кроме того, не требуется транспортных средств для перевозки АКБ. Если разместить многоканальное ЗУ в транспортные средства, в которых перевозятся эксплуатанты радиостанций, то время перемещения АКБ может сократиться от нескольких часов до нескольких минут. Кроме того, количество АКБ на один канал заряда существенно снизится, однако, увеличится общее количество ЗУ, так как ими должны быть оснащены все транспортные средства.
Как и другие виды специальной техники, элементы, входящие в СЭО, характеризуются множеством различных показателей. Так, ток разряда АКБ определяется режимами работы радиостанции (передача информации, приём и дежурный приём), которые имеют соответствующий ток потребления. Время работы радиостанции от одной заряженной АКБ может быть выражено в виде
'рст = — + — + — = t1 +12 +t3, рст т т т 1 2 3 '
/1 12 /3 (1)
где Сн - номинальная ёмкость АКБ; /1 - ток потребления радиостанции в режиме передачи информации; /2 -ток потребления радиостанции в режиме приёма информации; /3 - ток потребления радиостанции в режиме дежурного приёма; ti - время работы радиостанции в режиме передачи информации; t2 - время работы радиостанции в режиме приёма информации; t3 - время работы радиостанции в режиме дежурного приёма. Показатель ^ст является принадлежностью СРС, который связывает СЭО с СРС как подсистему и представляет собой время разряда АКБ Этот показатель должен стремиться к максимуму.
После разряда, АКБ переходит из одного системного объекта (радиостанции) в другой (ПЗБ или ЗУ), где организуется ее заряд. При этом АКБ становится принадлежностью СЭО. Время заряда АКБ 4 является важным показателем СЭО, от которого зависит своевременная доставка заряженных АКБ к радиостанциям, поэтому 4 можно считать частным показателем эффективности, а его значение должно быть минимальным.
Зарядные средства СЭО характеризуются следующими показателями: количество каналов заряда в ЗУ N^i, общее количество каналов заряда в ПЗБ #кз, ток заряда /зн. Количество каналов заряда в ПЗБ определяется массогабаритными показателями применяемых в ней ЗУ. Существующая ПЗБ для размещения на специальном пункте формирования имеет 120 каналов заряда, что не обеспечивает своевременный заряд поступающих АКБ, поскольку их количество кратно превышает количество каналов заряда. Дальнейшее увеличение #кз в ПЗБ ограничено объёмом кузовов-фургонов транспортных средств. Недостаточное количество каналов заряда в ПЗБ существенно снижает ее производительность и увеличивает общее время заряда АКБ (общее время
нахождения АКБ в СЭО). В ПЗБ АКБ заряжаются партиями, часть которых должны находится в режиме ожидания с временем tож. Помимо показателей 4 и tож в ПЗБ предусмотрен режим доразряда АКБ никель-кадмиевой электрохимической системы, когда они поступают с остаточной ёмкостью. Этот процесс характеризуется временем доразряда АКБ ^рз, которое также увеличивает время обслуживания АКБ 'о6с. Кроме того, затрачивается время на установку АКБ в ячейки ЗУ ty3, поскольку мгновенно установить, 120 АКБ в ПЗБ не удастся. Время обслуживания АКБ в ПЗБ характеризуется показателем, который можно принять в качестве частного показателя эффективности
t обс _ tз1 + t ож + t дрз + t уз (2)
где - время заряда одной партии АКБ.
Из вышеизложенного следует, что СЭО характеризуется следующими важными частными показателями эффективности: время разряда АКБ в радиостанциях - время обслуживания АКБ в ПЗБ - ^бс, время перемещения (доставки) АКБ от радиостанций к ПЗБ и обратно - которые дают возможность оценить эффективность электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций СРС.
Зарядные средства должны обеспечивать обслуживание АКБ за минимальное время,
соответствующее неравенству обс _ tрз,, а с учётом процесса доставки разряженных и
заряженных АКБ отвечать неравенству ^^са ^д + ^^обс)" ^^рз'где - время нахождения АКБ в системе. Поскольку СРС также характеризуется временем до перерыва связи из-за влияния СЭО 'допс, то данный показатель определяет своевременность поступления заряженных АКБ к средствам радиосвязи в течение периода непрерывной эксплуатации радиостанций, и
определяется значением времени Если ^^са > ^^рз' то 'доПС = 'рз. Если tса" ^^рз' то обеспечивается возможность своевременного поступления заряженных АКБ к средствам радиосвязи, и, соответственно, обеспечивается непрерывная работа радиостанций (время простоя 'прст = 0). В таком случае 'доПС будет определяться наработкой АКБ до проведения контрольно-тренировочных циклов (КТЦ) (50 циклов заряд/разряд, продолжительность каждого из которых порядка 'доПСц = 15 часов) и составит 750 часов. Количественное значение 'о6с будет определяться производительностью ПЗБ, а - функционированием СЭО в целом. Время функционирования СРС определено длительностью периода непрерывной эксплуатации радиостанций 'оп, т. е. при проведении последующих циклов непрерывной эксплуатации радиостанций, цикл функционирования СРС повторяется с восстановлением технических характеристик СЭО и СРС.
В общем случае СРС может находиться в одном из следующих состояний: работа радиостанций обеспечивается непрерывно путём достаточной и своевременной доставки заряженных АКБ ('доПС = 50'ц); в работе радиостанций возможен перерыв из-за неудовлетворительного функционирования СЭО ('доПС = 'рз). Время восстановления электропитания радиостанции (время простоя) может быть определено из выражения
tпрст _ tса tрз?
В качестве критерия технической эффективности СЭО принят коэффициент оперативной готовности СЭО, включающий в себя коэффициент готовности КгСЭО и вероятность безотказного электроэнергетического обеспечения РЭО радиостанций в системе радиосвязи. Выражение для оценки КогСЭО
К ог сэо = К г сэо х Рэо
(3)
P = • к - t доПС
P эо e t доПС; к Г
где tдоПС +1прст , t е [0;750].
Решить задачу непрерывного функционирования радиостанций возможно как за счёт технического совершенствования электрооборудования СЭО, так и за счёт увеличения
количества резервных АКБ в комплекте одной радиостанции. Однако, неоправданное увеличение резервных АКБ приведёт к повышенным экономическим затратам. Общую стоимость СЭО можно определить из выражения
Z сэо = Z1A Ма N рст + Z 2-N пзб + Z 3 N3 + Z 4 #ЗУ> (4)
где Z1A - стоимость одной АКБ; N1A - количество АКБ в одном комплекте радиостанции, Njjct - количество радиостанций в формировании; Z2 - стоимость ПЗБ; Ntoe - количество ПЗБ в формировании; Z3 - стоимость средства доставки АКБ; N3 - количество средств доставки в формировании; Z4 - стоимость ЗУ; #зу - количество ЗУ.
Необходимо отметить, что в ходе моделирования введены следующие ограничения и допущения: радиостанции комплектуются однотипными АКБ; внутренняя структура элементов СЭО считается неизменной в процессе исследования; рассматриваемые варианты СЭО имеют идентичные элементы; для сбора и доставки АКБ на заряд и обратно применяются транспортные средства; предполагаемые потери радиостанций не учитываются и их количество считается заданным в соответствии со штатным обеспечением; надёжностные характеристики элементов СЭО не учитываются в показателях эффективности, т. к. процесс функционирования СЭО рассматривается на небольшом интервале времени, равным tOT, который значительно меньше наработки на отказ; считается, что фактическая емкость всех АКБ соответствует номинальной.
Функционирование СЭО в специальных условиях связано с тем, что большинство процессов (разряд, сбор и доставка АКБ на заряд, постановка на заряд и заряд) являются событиями, в которых переход из одного состояния в другое происходит случайно и в неопределенный момент времени. Зарядная база представляет собой станцию с n каналами заряда, а поставляемые АКБ на заряд - поток заявок, поступающих на обслуживание. Исходя из этого ПЗБ (ЗУ) рассматривается как многоканальная система массового обслуживания с ожиданием и характеризуется следующими показателями: относительной пропускной способностью 0зб, средним временем заряда одной партии АКБ 41, средним временем ожидания в очереди и общим временем обслуживания АКБ в ПЗБ t^ = tTO. Общее время пребывания АКБ в СЭО определяется из выражения
t са = t ПЗБ + t дрз +1 уз + t пз + t д (5)
где t ПЗБ = t з +1 ож
Таким образом, разработанная модель учитывает мероприятия по перемещениям (доставке) АКБ к средствам заряда и обратно к МЭР, доразряду, обслуживанию, заряду и позволяет адекватно описывать процесс функционирования СЭО и количественно оценивать эффективность СЭО по выбранному критерию - коэффициенту оперативной готовности электроэнергетического обеспечения с учетом финансовых затрат на построение СЭО. При этом функционирование СЭО рассматривается в период непрерывной эксплуатации радиостанций с учетом взаимодействия с вышестоящей системой - системой радиосвязи. Кроме того, впервые, разобщенные технические средства заряда и накопления электроэнергии объединены в систему с описанием процессов, происходящих в ней.
Заключение
Непрерывное развитие портативных и носимых средств связи, их активно расширяющаяся номенклатура, эволюция системы связи, определяющая необходимость увеличения штатного количества средств связи, оказывают существенное влияние на систему электроэнергетического обеспечения. Отмеченные обстоятельства определяют необходимость совершенствования существующей СЭО. Это, в свою очередь, обеспечит возможность построения эффективной системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций.
ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ
№ 3 (167) - 2024
Литература
1. Морозов А. Н., Слепов С. Н. Задачи и основные направления развития системы войсковой эксплуатации аккумуляторных батарей переносных средств связи тактического звена управления // Сборник трудов по проблемам электроэнергетики. М.: ВА РВСН, 2009. С. 71-75.
2. Морозов А. Н., Слепов С. Н. Анализ состояния и тенденции развития химических источников тока для войсковых переносных радиостанций // Сборник трудов МСНТ «Взаимодействие бизнеса и науки». М.: ОАО «Энергия», 2014. С. 44-48.
3. Охтилев П. А., Бахмут А. Д., Крылов А. В., Охтилев М. Ю., Соколов Б. В. Подход к оцениванию структурных состояний сложных организационно-технических объектов на основе обобщенных вычислительных моделей // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 5. С. 73-82.
4. Бартош В. В., Винограденко А. М., Веселовский А. П. Основные проблемы и перспективы развития АСЭС // Материалы НПК «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях». СПб.: Военная академия связи, 2018. С. 136-140.
5. Абрамкин Р. В., Яговитов Д. С. К вопросам функционирования подсистемы электроэнергетического обеспечения программно-конфигурируемых инфокоммуникационных сетей специального назначения // Вопросы оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. 2021. № 1-2 (151-152). С. 98-106.
6. Абрамов О. В., Розенбаум А. Н. Управление эксплуатацией систем ответственного назначения. Владивосток: Дальнаука, 2000. 200 с.
7. Рембеза А. И. Надежность и эффективность в технике. Справочник. М.: Машиностроение,
1. Morozov A. N., Slepov S. N. Zadachi i osnovnye napravleniya razvitiya sistemy vojskovoj ekspluatacii akkumulyatornyh batarej perenosnyh sredstv svyazi takticheskogo zvena upravleniya [Tasks and main directions of development of the system of military operation of batteries of portable communication devices of the tactical management link]. Sbornik trudov po problemam elektroenergetiki [Collection of works on problems of electric power industry]. Moscow. VA RVSN [MA SMF]. 2009. Pp. 71-75. (In Russian).
2. Morozov A. N., Slepov S. N. Analiz sostoyaniya i tendencii razvitiya himicheskih istochnikov toka dlya vojskovyh perenosnyh radiostancij [Analysis of the state and trends in the development of chemical current sources for military portable radio stations]. Sbornik trudovMSNT «Vzaimodejstvie biznesa i nauki» [Proceedings of the MSNT "Interaction of business and science"]. Moscow. JSC "Energia". 2014. Pp. 44-48. (In Russian).
3. Ohtilev P. A., Bahmut A. D., Krylov A. V., Ohtilev M. Y., Sokolov B. V. Podhod k ocenivaniyu strukturnyh sostoyanij slozhnyh organizacionno-tekhnicheskih ob"ektov na osnove obobshchennyh vychislitel'nyh modelej [Approach to estimation of structural states of complex organizational and technical objects based on generalized computational models]. H&ES Research. 2017. Vol. 9. No. 5. Pp. 73-82. (In Russian)/
4. Bartosh V. V., Vinogradenko A. M., Veselovskiy A. P. Osnovnye problemy i perspektivy razvitiya ASES [Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems]. Materialy NPK «Problemy tekhnicheskogo obespecheniya vojsk v sovremennyh usloviyah» [«Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems»]. St. Petersburg. Voennaya akademiya svyazi [Military Academy of Communications]. 2018. Pp. 136-140. (In Russian).
5. Abramkin R.V., Yagovitov D.S. K voprosam funkcionirovaniya podsistemy elektroenergeticheskogo obespecheniya programmno-konfiguriruemyh infokommunikacionnyh setej special'nogo naznacheniya [On the functioning of the subsystem of electric power supply of software-configurable infocommunication networks for special purposes]. Voprosy oboronnoj tekhniki. Ser. 16: Tekhnicheskie sredstva protivodejstviya terrorizmu [Issues of defense technology. Series 16: Technical means of countering terrorism]. 2021. № 1-2 (151-152). Pp. 98-106. (In Russian).
6. Abramov O.V., Rozenbaum A.N. Upravlenie ekspluataciej sistem otvetstvennogo naznacheniya [Responsible systems management]. Vladivostok. Dal'nauka Publ. 2000. 200 p. (In Russian).
7. Rembeza A.I. Nadezhnost' i effektivnost' v tekhnike [Reliability and efficiency in engineering]. Moscow. Mashinostroenie Publ. 1996. 224 p. (In Russian).
1996. 224 с.
Reference
Статья поступила 12 сентября 2024 г.
Modeling of complex organizational and technical systems
Информация об авторе
Морозов Алексей Николаевич - соискатель ученой степени кандидата технических наук. Начальник отдела ФГБУ «16 ЦНИИИ» Минобороны России. Область научных интересов: электроэнергетическое обеспечение средств связи, формы и способы накопления и преобразования электрической энергии. Тел.: +7-903-270-01-74. E-mail: [email protected]. Адрес: 141006, Московская обл., г. Мытищи, 1 Рупасовский пер., 5.
A generalized model of the functioning of the electric power supply system for portable and portable radio stations
A. N. Morozov
Annotation. Objective: to develop a model of an electric power supply system for wearable and portable radio stations in the interests of the created system of their electric power supply. Methods: the work uses methods of reliability theory, in particular, the calculation of such a complex reliability indicator as the operational readiness coefficient. Novelty: since in many previous studies, the authors did not fully take into account the relationship between its structure and the conditions of use of batteries and charging means when forming an electric power supply system, this circumstance is taken into account in the proposed model. At the same time, in the model, along with the discharge time of batteries in radio stations, the maintenance time of batteries in the field charging base, the time of moving (delivering) the battery from radio stations to the field charging base and back is also taken into account as private efficiency indicators, allowing to evaluate the efficiency of electric power supply for wearable and portable radio stations of the radio communication system. Result: The definition of the electric power supply system for portable and portable radio stations is given, its main task is indicated, as well as the role and importance in ensuring the functioning of the higher-level system. The developed generalized block diagram and options for building an electric power supply system for portable and portable radio stations, as well as specific indicators of its effectiveness, are presented. The criteria for evaluating the technical and economic efficiency of the electric power supply system for portable and portable radios are shown. At the same time, a generalized model of the functioning of a promising electric power supply system is presented in the form of a functional diagram of the existing version of its construction with the placement of a mobile charging base at the unit's control point, i.e. at the maximum distance from the front edge (special positions).
Keywords: rechargeable batteries, chargers, portable and portable radios, electric power supply, electric power supply system.
Information about Authors
Alexey Nikolaevich Morozov - is a candidate for the degree of Candidate of Technical Sciences. Head of the Department of the Federal State Budgetary Institution "16 Central Research Institute" of the Russian Ministry of Defense. Research interests: electric power supply of communication facilities, forms and methods of accumulation and conversion of electric energy. Tel.: +7-903-270-01-74. E-mail: [email protected] . Address: 141006, Moscow region, Mytishchi, 1 Rupasovsky lane, 5.
Библиографическая ссылка на статью:
Морозов А. Н. Обобщенная модель функционирования системы электроэнергетического обеспечения носимых и портативных радиостанций // Техника средств связи. 2024. № 3 (167). С. 67-73. DOI: 10.24412/2782-2141-2024-3-67-73
Reference for citation:
Morozov A. N. A generalized model of the functioning of the electric power supply system for portable and portable radio stations. Means of Communication Equipment. 2024. № 3 (167). C. 6773 (in Russian). DOI: 10.24412/2782-2141-2024-3-67-73
