СВОЕВРЕМЕННОСТЬ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

КОЛОНКА МОЛОДЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 621.317

Своевременность контроля технического состояния средств радиосвязи

Голюнов М.В.

Аннотация. В статье под своевременностью контроля технического состояния средств радиосвязи будем понимать некий оптимальный интервал времени между процедурами параметрического контроля технического состояния радиосредств при экспоненциальном законе распределения его вероятности безотказной работы. Определение этого интервала является логическим продолжением модели процесса мониторинга технического состояния, в которой предварительно произведена оценка достоверности, точности и полноты контроля технического состояния средств радиосвязи. Цель работы заключается в нахождении математического выражения, определяющего оптимальный интервал времени между процедурами параметрического контроля технического состояния радиосредств. Новизна: используемые в настоящее время методы повышения надежности объектов (систем) в своих математических выражениях не учитывают интервал времени неправильного функционирования, который возникает из-за нераспознанного параметрического отказа, т. е. они определены для случая идеального диагностического обеспечения, что не соответствует действительности. В работе произведена попытка учета этого интервала при различных вариантах определения технического состояния радиосредств. Результат: в статье показано, что оптимизационная задача по определению интервала контроля технического состояния радиосредства возникает только при наличии противоречий в образованной системе (объект контроля плюс средство контроля), заключающаяся с одной стороны в максимизации нижней границы расчетного значения коэффициента готовности объекта контроля, а с другой в учете надежностных характеристик средства контроля. Практическая значимость заключается в возможности использования полученного оптимального интервала времени между процедурами параметрического контроля технического состояния радиосредств для определения режима работы автоматизированного измерительного комплекса в рамках стратегии технического обслуживания по фактическому техническому состоянию.

Ключевые слова: контроль технического состояния, техническое обслуживание, параметрический отказ, радиосредства, надежность.

Введение

В настоящее время в Вооруженных Силах Российской Федерации руководящими документами определена планово-предупредительная стратегия технического обслуживания (ТО) средств связи [1], базирующаяся на априорной информации о работоспособности систем и не учитывающая фактического технического состояния (ТС) средств связи [2].

Привлекательность такой стратегии эксплуатации определяется, прежде всего, простотой планирования мероприятий по техническому обслуживанию, а также тем, что в процессе функционирования системы не надо контролировать и измерять какие-то ее параметры [3].

Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 27.002-2015 отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. Отказ может быть внезапным, постепенным, явным, скрытым и т. д. При этом особое внимание необходимо обратить на постепенные скрытые (параметрические) отказы, для выявления которых требуется разработка средств технического диагностирования, осуществляющих дискретный контроль ТС аппаратуры в процессе ее функционирования.

На основных этапах жизненного цикла, т. е. в процессе эксплуатации средств связи, отклонения (дрейфа) параметров за пределы допусков как раз и приводят к наступлению параметрического отказа. Процессы дрейфа параметров и вызываемые ими параметрические

отказы заставляют производить специальные мероприятия в виде ТО, направленные на поддержание требуемого уровня качества функционирования средств связи. В настоящее время на технике связи проводятся годовые технические обслуживания (ТО-2) (с периодичностью один раз в год [1]) с привлечением инженерно-технического состава, а также средств измерений.

В тоже время к основным проблемам планово-предупредительной стратегии ТО средств связи можно отнести:

1) низкая оперативность и трудоемкость процедуры ТО, требующая разработки планирующих документов и дополнительного контроля со стороны должностных лиц;

2) существование продолжительных периодов функционирования средств связи, скрытых от служб эксплуатации, когда могут быть занижены их технологические показатели. При этом такие периоды могут носить многодневный и даже многомесячный характер [4];

3) эпизодическое применение (при проведении ТО-2) дорогостоящих средств измерений. Кроме того, определяющее значение при проведении ТО имеет накопленный опыт и профессионализм обслуживающего персонала.

Одним из основных направлений совершенствования методов ТО радиотехнических систем является внедрение гибких стратегий ТО, степень гибкости которых определяется полнотой учета данных о фактическом состоянии обслуживаемых средств [2], что невозможно обеспечить без автоматических систем контроля ТС, особенно при внедрении «безлюдных технологий» [3].

Необходимость полноты учета данных о фактическом ТС обслуживаемых средств следует из определения надежности [5]. Общая надежность радиотехнической системы определяется двумя вероятностями:

1) вероятностью нахождения выходного параметра системы (одного или нескольких) в зоне допуска во время нормального функционирования;

2) вероятностью безотказной работы элементов системы.

Теория надежности оперирует статистикой отказов элементов системы (восстанавливаемых, невосстанавливаемых) не делая различий в типах отказов. В этом случае для подтверждения численных значений показателей, полученных в рамках теории надежности, при эксплуатации средств связи необходимо идеальное всестороннее диагностическое обеспечение, которое в режиме реального времени способно определять ТС средств (систем) связи. В настоящее время при эксплуатации средств радиосвязи в режиме реального времени диагностические системы способны выявлять только отказы функционирования, которые могут возникать при скачкообразном изменении выходных параметров или быть следствием давно возникшего параметрического (постепенного) отказа, своевременно не распознанного средствами контроля ТС. При параметрическом отказе радиотехническая система способна функционировать до момента проведения инструментального технического обслуживания, либо до момента наступления функционального отказа.

В процессе эксплуатации радиотехнические системы используют различные ресурсы для осуществления целевой функции - передачи информации с требуемой достоверностью. При этом параметры выходного сигнала являются системными [6], а их отклонение от заданных значений и есть предмет контроля. Если система формирует качественный сигнал (параметры которого в поле допусков), то совпадает два вышеуказанных события по отношению к ее общей надежности и в обслуживании такой системы нет необходимости. Если же параметры радиосигнала не в норме (имеются отклонения выше допустимых), то из-за возникшего нераспознанного параметрического отказа радиотехническая система будет использовать различные имеющиеся ресурсы: энергетические, информационные, частотные для обеспечения целевой функции.

Для обеспечения общей надежности радиосредств необходимо совмещение по времени и месту систем функционального и параметрического контроля. Но если средства функционального контроля обычно являются неотъемлемой частью средств радиосвязи и осуществляют мониторинг их работоспособности в режиме реального времени, то средства параметрического контроля (СК) - аппаратно-программные измерительные средства достаточно сложны и их сложность сопоставима со сложностью объекта контроля (ОК), т. е. радиосредств, а может и превосходить их. Из этого следует необходимость перехода от непрерывного к дискретному контролю параметров целевой функции радиотехнической системы для обеспечения вероятности безотказной работы (СК) не ниже заданной, в течение установленного срока службы. В данном случае возникает противоречие между необходимостью непрерывного параметрического контроля (ОК) и ограниченным ресурсом СК. Непрерывный контроль порождает «цепную реакцию контроля», когда для контроля СК необходимо другое СК и разрешается это противоречие только заменой непрерывного контроля ТС средств радиосвязи дискретным.

Постановка задачи

Рассмотрим различные варианты определения интервала контроля ТС радиосредства при экспоненциальном законе распределения его вероятности безотказной работы:

1) в процессе контроля параметров радиосредство не функционирует и продолжает выполнять свои функции после проведения процедуры контроля значений параметров или восстанавливается. Надежностные характеристики средства контроля не учитываются;

2) контроль параметров осуществляется в процессе функционирования. Надежностные характеристики СК не учитываются;

3) контроль параметров осуществляется в процессе функционирования. СК обладает надежностными характеристиками (средняя наработка до отказа, срок службы).

Для вышеуказанных вариантов функционирования средств радиосвязи необходимо определить, если это возможно, оптимальный интервал времени между процедурами их параметрического контроля, максимизирующий значение целевой функции - коэффициента готовности Кг.

Решение задачи по условию первого варианта

В первом варианте применяется стратегия технического обслуживания по состоянию (ТОС) с контролем параметров и периодичностью Ак в течение времени А/* < /т0, где /т0 - периодичность проведения технического обслуживания. При обнаружении отказа изделие восстанавливают в течение времени Тв. В этом случае коэффициент готовности Кг имеет следующий вид [7]:

К Т[■ - ехрМ, / Т>] . (1)

г Т, [■ - ехр(-А<к / Т )] + Ак +А,

Время, в течение которого осуществляется контроль параметров А/*, является расчетной постоянной величиной, и определяется на стадии моделирования процесса контроля ТС исходя из требований к полноте и достоверности результатов контроля. Выражение (1) не учитывает возможность выхода параметров средства связи за пределы своих допусков между процедурами параметрического контроля. С учетом интервала неправильного функционирования выражение (1) примет вид:

Кг = --, Т[|-еХР(-Дк/Т)]-. , .. (2)

Тв [■ -ехр(-А^ /Т)] + А/к + (Дк + Дк)[■ -ехр(-(Дк + Ч) /Т)] + Ч

Для определения максимального значения Кг найдем производную 8КТ (Ак)/ ЗАК от выражения (2) и приравняем ее к нулю.

В результате получаем уравнение, которое может быть приближенно решено при соблюдении условия Дгк / Т <<1. Разложив ехр(-А£к / Т) в ряд и ограничившись тремя первыми членами, получим выражение:

ч -д/гА*. (3)

Пример расчета:

при Т = 6000 ч., = 1/12 ч., А^ =у16000/12 - 22,4 ч., = 1/6 ч., А, = л/б0007б - 31,6 ч.

Уравнение (3) определяет оптимальный временной интервал между процедурами контроля параметров радиосредства по условию первого варианта.

Решение задачи по условию второго варианта

Если же контроль параметров радиосредства осуществляется в процессе функционирования, то выражение (2) примет вид:

Т [1 - ехр(-т/ Т)]

К =

Т [1 - ехр(-т / Т)] + т[1 - ехр(-т / Т)] + т'

(4)

где т = Ак + А*.

Формулу (4) исходя из условия т/ Т <<1 преобразуем к следующему виду:

Т

Кт =-Т-. (5)

г Т + Тв + т

В случае нераспознанного отказа, при котором не нарушается функционирование радиосредств, минимальный коэффициент готовности определяется выражением (5) и он обратно пропорционален интервалу параметрического контроля т = Ак + А*.

На рис. 1 представлены графики зависимости коэффициента готовности от интервала параметрического контроля А£к согласно выражениям (2) и (5), при А*= 1/12 ч.; 1/6 ч. (синий и красный цвет графиков соответственно), Тш= 100 ч., Т = 6000 ч.

Кг

0.98

0.96

094

0.92

09

о. ее

0.В6

0.64

10

X: 22 У: 0.9747

20

30

АО

70

50 60

Д*к (ч.)

Рис. 1. Графики зависимости Кг (Ак)

30

00

100

На графиках рис. 1 виден экстремум функции Кг (Ак), но только если в процессе контроля параметров радиосредство не обеспечивает связь. Оптимальный интервал между процедурами контроля определяется выражением (3). Если параметрический контроль осуществляется в процессе функционирования радиосредства, то график Кг (Ч) (на рис. 1 выделен черным цветом) представляет собой линейную зависимость, и максимальное значение Кг достигнет при интервале контроля равным нулю. В этом случае дискретный контроль переходит в непрерывный контроль и выражение (5) преобразуется к известному виду Кг = Т / (Т + Тв).

Выше было отмечено, что при длительной эксплуатации средств связи возникает противоречие между необходимостью непрерывного параметрического контроля ОК и ограниченным ресурсом СК.

Решение задачи по условию третьего варианта

Рассмотрим третий вариант определения интервала контроля ТС радиосредств, при котором контроль параметров осуществляется в процессе функционирования. Средство контроля обладает надежностными характеристиками: Т - средняя наработка до отказа; / = пТск - срок службы средства контроля, где п - натуральное число.

Параметрический контроль радиосредств предполагает наличие средств измерений, степень точности которых должна быть на порядок выше точности контролируемых параметров. Согласно руководству по эксплуатации на изделие «Тишина - ПВР» уровень сигнала с выхода возбудителя РПДУ Р-176-У не должен отклоняться на величину более 1 В ± 0,1 В, краевые искажения радиотракта не более 2 %, долгосрочное отклонение частоты опорного генератора не более ±5 х10-8 Гц, в течение года. Повышение требований к качеству формируемых радиосредствами сигналов за счет применения методов цифровой обработки сигналов вызывает необходимость создания средств измерений со значительно большей точностью измерения, т. е. должен действовать принцип опережающего повышения точности средств измерения по сравнению с точностью контролируемых параметров. Точность и сокращение времени измерения (3), необходимость длительного автономного функционирования в автоматическом режиме способствует росту сложности СК, при этом СК должны оставаться надежными в течение всего срока службы.

Представим вероятность безотказной работы СК в виде [5]:

( А/ * N Л

Р(/) = ехр -А^ , (6)

V Тск У

где N - количество процедур параметрического контроля в течение срока службы / = пТск средства контроля, при этом вероятность безотказной работы СК не должна быть меньше некоторой минимальной наперёд заданной величины, N = пТ^ / А?к, тогда выражение (6) запишем в виде:

P(t) = exp

f nAt* ^

At,,

(7)

P (t) > P .

^ ск V у ск min

Система уравнений (7) позволяет просто определить минимальный интервал контроля AtK при известной минимальной величине вероятности безотказной работы СК рк ^, значение которой необходимо оценить.

СК должно оставаться высоконадежным, в течение всего срока службы, поскольку его значения измерений являются определяющими при управлении аппаратурным ресурсом.

Критерий высокой надежности СК сформулируем в следующем виде: вероятность безотказной работы СК в течение срока службы должна быть больше или равна вероятности

безотказной работы контролируемой системы в виде (ОК плюс резерв). В работе будем использовать резервирование методом замещения [5].

Коэффициент готовности восстанавливаемой резервированной методом замещения системы определяется выражением [5]:

m

IР-

К = m+ > (8)

i р-

;=0

где m - кратность резервирования, р = T / T. Уравнение (8) с учетом выражения (5) представим в следующем виде:

m

IР-

К = m+r-. (9)

IIР- + Р*

-=0

где р* = AtK / T. Коэффициент готовности согласно уравнениям (5), (9) при фиксированном значении р* представляет собой нижнюю границу оценки расчетного значения Кг, т. е. K (т).

г mm V /

Цель диагностической системы заключается в своевременном определении ТС ОК

с требуемой достоверностью и полнотой. Время необходимое для осуществления контроля

. *

At*, достоверность и полнота контроля определяются на этапе моделирования процесса контроля. Определение своевременности контроля сводится к нахождению временного интервала т между процедурами контроля с целью максимального приближения нижней границы K (т) к расчетному значению K согласно уравнению (8) при сохранении вероятности безотказной работы средства контроля не ниже нижней границы расчетного значения Кг „.„ (т).

'[Кг - max Кг min (т)]< е; ^ (t) > max Кг min (т);

т = ч + Мк*;

At* = const.

где е - допустимая величина отклонения Кг от расчетного значения. Значение е также можно рассматривать как доверительный интервал со 100 % вероятностью попадания в него К . Будем считать достоверность каждой процедуры контроля ТС высокой. Запишем второе неравенство системы уравнений (10) в следующем виде:

f nAO

Т

ехр--- >-. (11)

, Д , Т + Дt ()

V к у к

Правая часть неравенства (11) получена из уравнения (9) при Т = 0 ч. Это может показаться грубым допущением, однако уже при однократном резервировании методом замещения (дублирование) значения времени восстановления до 5 суток практически не оказывают влияние на результат решения неравенства (11), но решение значительно упрощается.

Неравенство (11) преобразуем к виду:

ехр(-иД* / ДГк)> ехр(-ДГк / Т). (12)

Прологарифмируем левую и правую часть неравенства (12), и в результате получаем неравенство:

Ч >^ТАС . (13)

Полученное неравенство при п = 1 совпадает с выражением (3) и представляет собой решение неравенства (11) а, в случае равенства, определяет минимальный интервал времени между процедурами контроля ТС средств связи согласно третьему варианту. Поскольку

Ак >> А?*, то т « Ак и можно записать т пТА?* .

На рис. 2 представлены графики зависимости Кг, (т) при резервировании методом замещения (дублировании) согласно уравнений (8), (9) (пунктирные линии черного и красного цвета соответственно), а также графики зависимости вероятности безотказной работы средства контроля р(т) при изменении п от 1 до 10. Исходные данные для

построения графиков: Т = 6000 ч., Тв = 120 ч., А* = 1 /12 ч.

Т (ч.)

Рис. 2. Графики зависимости Кг, КГшт(т), р(т)

На рис. 2 разность между красной и черной пунктирными линиями представляет собой е (10), а точки пересечения Кгт1п (т), с р (т) определяются выражением т = ^ пТ А?* . Значение п определяется количеством линий графика р (т) над красной пунктирной линией графика Кгт1П (т) при различных т и соответствует количеству интервалов пр, в течение которых будет выполняться второе условие выражения (10).

Из графиков на рис. 2 видно, что сокращение интервала времени между процедурами параметрического контроля приближает нижнюю границу КГтт(т) к расчетному значению К, и будет ему соответствовать при непрерывном контроле ТС (т = 0 ч.). Необходимо учитывать надежность СК, в этом случае уравнение (13) является решением

оптимизационной задачи и определяет минимальный интервал времени между процедурами контроля ТС радиосредств.

Заключение

В статье проведен анализ различных вариантов определения оптимального интервала времени между процедурами параметрического контроля ТС радиосредства при экспоненциальном законе распределения его вероятности безотказной работы. СК и ОК образуют взаимообуславливающую систему с ограниченным ресурсом входящих в нее подсистем. В статье показано, что оптимизационная задача по определению интервала контроля ТС радиосредства возникает только при наличии противоречий в образованной системе, заключающаяся, с одной стороны, в максимизации Krmin ОК, а с другой, в учете надежностных характеристик СК. За счет контроля ТС нельзя повысить Кг ОК (расчетное значение), но можно сократить доверительный интервал е и максимизировать нижнюю границу Krmin при требуемом значении вероятности безотказной работы СК.

Литература

1. Чихачев А.В., Семенов С.С., Мегера Ю.А. Организация проведения технического обслуживания, военной и специальной техники. Ч. 1. Комплекс «Редут-2УС». СПб.: ВАС, 2019. 292 с.

2. Федоренко В.В. Модель оптимизационных задач технического обслуживания систем передачи сигналов по фактическому состоянию // Электронное моделирование. 1994. Т. 16. №1. С. 47-51.

3. Абрамов О.В., Розенбаум А.Н. Управление эксплуатацией систем ответственного назначения. Владивосток: Дальнаука, 2000. 200 с.

4. Исаков Е.Е. Основные принципы построения устойчивой военной связи и возможные способы их реализации. СПб.: ВАС, 2015. 447 с.

5. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 704 с.

6. Дворников С.В., Ланских С.Н., Линник Б.С. Методология системного подхода и методы моделирования сложных систем и комплексов. СПб: ВАС, 2008. 380 с.

7. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. Москва: Радио и связь, 1988. 256 с.

References

1. Chikhachev A.V., Semenov S.S., Megera Yu.A. Organization of maintenance, military and special equipment. Part 1. «Redut-2US» complex. St. Petersburg: VAS, 2019. 292 s. (in Russian).

2. Fedorenko V.V. Model of optimization problems of maintenance of signal transmission systems according to the actual state. Electronic Modeling. 1994. T. 16. № 1. Pp. 47-51 (in Russian).

3. Abramov O.V., Rosenbaum A.N. Management of the operation of responsible systems. Vladivostok: Dalnauka, 2000. 200 s. (in Russian).

4. Isakov E.E. Basic principles of building sustainable military communications and possible ways to implement them. St. Petersburg: VAS, 2015. 447 s. (in Russian).

5. A.M. Polovko and S.V. Gurov, Fundamentals of Reliability Theory. St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2006. 704 s. (in Russian).

6. Dvornikov S.V., Lanskikh S.N., Linnik B.S. Methodology of the system approach and modeling methods for complex systems and complexes. St. Petersburg: VAS, 2008. 380 s. (in Russian).

7. Davydov P.S. Technical diagnostics of radio electronic devices and systems. Moscow: Radio and communication, 1988. 256 s. (in Russian).

Статья поступила 1 декабря 2021 г.

Информация об авторе

Голюнов Михаил Валерьевич - Адъюнкт кафедры Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного. Тел.: +7(812)247-98-42. E-mail: [email protected].

Адрес: 194064, Россия, г. Санкт-Петербург, Тихорецкий проспект, д. 3.

Timeliness of monitoring the technical condition of radio communications

M.V. Golyunov

Annotation. In the article, by the timeliness of monitoring the technical condition of radio communication facilities, we will understand a certain optimal time interval between the procedures for parametric monitoring of the technical condition of radio facilities with an exponential law of distribution of its probability of trouble-free operation. The definition of this interval is a logical continuation of the model of the process of monitoring the technical condition, in which the reliability, accuracy and completeness of monitoring the technical condition of radio communication facilities were previously assessed. The purpose of the work is to find a mathematical expression that determines the optimal time interval between procedures for parametric control of the technical condition of radio equipment. Novelty: currently used methods for improving the reliability of objects (systems) in their mathematical expressions they do not take into account the time interval of improper functioning that occurs due to an unrecognized parametric failure, i.e. they are defined for the case of ideal diagnostic support, which does not correspond to reality. The paper attempts to account for this interval with various options for determining the technical condition of radio equipment. Result: the article shows that the optimization task of determining the interval for monitoring the technical condition of the radio equipment arises only in the presence of contradictions in the formed system (the object of control plus the means of control), consisting on the one hand in maximizing the lower limit of the calculated value of the readiness coefficient of the object of control, and on the other in taking into account the reliability characteristics of the means of control. The practical significance lies in the possibility of using the obtained optimal time interval between the procedures of parametric control of the technical condition of radio equipment to determine the operating mode of the automated measuring complex within the framework of the maintenance strategy for the actual technical condition means of monitoring the technical condition, operating both in continuous and discrete modes.

Keywords: technical condition monitoring, maintenance, parametric failure, radio facilities, reliability.

Information about Autors

Golyunov Mikhail Valeryevich - Adjunct of the Department of the Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Tel.: +7 (812) 247-98-42. E-mail: [email protected].

Address: 194064, Russia, St. Petersburg, Tikhoretsky Ave., 3.

Для цитирования: Голюнов М.В. Своевременность контроля технического состояния средств радиосвязи // Техника средств связи. 2021. № 4 (156). С. 61-69.

For citation: Golyunov M.V. Timeliness of monitoring the technical condition of radio communications. Means of communication equipment. 2021. No 4 (156). Pp. 61-69 (in Russian).