Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные судовые радиоэлектронные средства связиинавигации 16
1.1. Судовые радиоэлектронные средства обеспечения безопасности мореплавания 16
1.2. Факторы, влияющие на надежность судовых радиоэлектронных средств связи 34
1.3. Краткие выводы по главе 38
ГЛАВА2. Модельаналюаструктурнойнадежносги судовых радиоэлектронных средств связи 40
2.1. Выбор и обоснование математической модели анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи при внезапных отказах 40
2.2. Обоснование неоднородной марковской модели анализа эксплуатационной надежности судовых радиоэлектронных средств связи 49
2.3. Структурные надежностные схемы судового радиооборудования ГМССБ 57
2.3.1. Структурная надежностная схема судовой УКВ-радиоустановки...58
2.3.2. Структурная надежностная схема судовой ПВ/КВ-радиоустановки... 61
2.4. Краткие выводы по главе 63
ГЛАВАЗ. Аналю(лруюгурнойнадржно(лиодовь1х радиоэлектронных средств связи 65
3.1. Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи по внезапным отказам 65
3.1.1. Анализ структурной надежности YKB-радиоустановки при внезапных отказах 66
3.1.2. Анализ структурной надежности ПВ/КВ-радиоустановки по внезапным отказам 78
3.3. Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи при нестационарных интенсивностях отказов 88
3.3.1. Анализ надежности судовой УКВ-радиоустановки при нестационарных интенсивностях отказов 90
3.3.2. Анализ надежности судовой ПВ/КВ-радиоустановки при нестационарных интенсивностях отказов 94
3.4. Краткие выводы по главе 98
ГЛАВА 4. Техническое обслуживание судовых рдщоэлектюнньк средств связивусловиях длительного автономного плаваниям 99
4.1. Определение числа запасных модулей для судовых радиоэлектронных средств связи при длительном плавании 102
4.2. Профилактическое обслуживание судового радиоэлектронного оборудования связи 109
4.3. Краткие выводы по главе 123
Заключение и выводы 125
Библиогтафиче(жийашсокиспользованнойлитературы
- Судовые радиоэлектронные средства обеспечения безопасности мореплавания
- Факторы, влияющие на надежность судовых радиоэлектронных средств связи
- Обоснование неоднородной марковской модели анализа эксплуатационной надежности судовых радиоэлектронных средств связи
- Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи по внезапным отказам
Введение к работе
Актуальность проблемы. На сегодняшний день морской транспорт является составной частью мировых трансконтинентальных и интермодальных транспортных коридоров, обеспечивающих экономическую интеграцию стран в мировом сообществе, занимая третье место по грузообороту после железнодорожного и трубопроводного транспорта. Он оказывает существенное влияние на экономику России, так как является полноправным участником мирового рынка транспортных услуг и осуществляет крупномасштабные (по тоннажу и дальности) перевозки при более низких ценах по сравнению с другими способами транспортировки. Интенсификация использования морского флота приводит как к увеличению его численности, так и к росту интенсивности судоходства на морских путях, а особенно в узкостях, на подходах к морским портам и на их акваториях. В связи с этим последние двадцать лет морской транспорт захватили глобалистские мировые процессы модернизации и унификации систем обеспечения безопасности мореплавания (систем радиосвязи, навигации, экологической и пожарной безопасности и т.д.). В 1990-х годах эти процессы охватили развёртывание мировой Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ), основной задачей которой является обеспечение морского транспорта радиосвязью во всех морских районах плавания[1].
Так, с 1999 года всем судам, валовой вместимостью 300 регистровых тонн и более, а также пассажирским судам, совершающим международные рейсы, надлежит иметь оборудование Глобальной системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ), а с 2005 года - всем без исключения, в том числе и кораблям ВМФ. Основными функциями оборудования ГМССБ являются непрерывное наблюдение на частотах бедствия и связи при спасательных операциях на море, определение географических координат и государственной принадлежности терпящих бедствие подвижных объектов (судов, самолетов и др.), передача мореплавателям, находящимся в прибрежных районах, навигационной и метеорологической информации по безопасности мореплавания, а также передача навигационной и метеорологической ин формации и информации по поиску и спасанию на удаленные районы моря. Эффективность использования ГМССБ оценивается повышением уровня безопасности мореплавания и охраны человеческой жизни на море. В настоящих условиях ГМССБ является одной из основных систем, предназначенных для выполнения указанных задач. Кроме того, это оборудование обеспечивает автоматизированный способ приема сигналов бедствия на морских судах и береговых радиостанциях и повышает достоверность и оперативность связи.
Важным фактором при обеспечении безопасности мореплавания является точность определения местоположения судна, в связи с этим осуществляется внедрение на морском флоте новых глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS). С их помощью каждое судно, имеющее приемную аппаратуру, может в любое время и в любой точке мирового океана знать свое место с точностью 50-100 м, что соответствует требованиям стандарта точности судовождения [2]. При дополнении этих систем специальными наземными дифференциальными станциями точность может быть повышена до 5-Ю м, что позволит безопасно передвигаться в узкостях и на акваториях морских портов, где точность, обеспечиваемая судовыми радиолокационными станциями (РЛС), недостаточна.
Кроме этого, в соответствии с правилом V/19 Международной конвенции по безопасности жизни на море (СОЛАС74) все суда свыше 300 тонн, совершающие международные рейсы, и все пассажирские суда независимо от размера должны быть оснащены оборудованием автоматизированной идентификационной (информационной) системы (АИС)[1,3]. С помощью АИС осуществляются автоматическая идентификация судов, прием и передача навигационной (координаты, курс, скорость, скорость поворота и т.д.), маршрутной или рейсовой (пункт назначения, ожидаемое время прибытия, тип груза) и статической (название и позывной судна, габариты и осадка судна, положение антенны) информации, выдача этой информации для отображения на дисплее АИС и электронных картах, а также получение координат судна и параметров его движения от внешнего источника (ГНСС), в том числе с использованием дифференциального режима.
Исходя из сказанного выше, следует, что существующая на сегодняшний день тенденция ведет к дальнейшему увеличению числа судовых радиоэлектронных средств, а также к росту их технической сложности. В свою очередь, сложность, ответственность и уникальность задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой на морском транспорте в настоящее время, определяют к ним высокие требования, важная роль среди которых принадлежит количественным требованиям по надёжности [4,5]. Это связано с тем, что отказ одного из рассматриваемых технических устройств зачастую может привести к катастрофическим последствиям. В большей степени это касается судовых радиоэлектронных средств связи, так как навигационное оборудование, как правило, на судне имеет многократное информационное и структурное резервирование, т.е. навигационную информацию можно получить от нескольких источников, в той или иной степени дублирующих друг друга. И поскольку ГМССБ состоит не только из судового оборудования связи, но из большого числа береговых станций, объединенных в единую сеть, то безотказность работы всей системы зависит от надежности каждой подсистемы, в том числе и судовой, и выход её из строя приводит к ненадежному функционированию всей сети ГМССБ, что в свою очередь может привести к несвоевременным оповещению о бедствии и организации поисково-спасательной операции.
Уровень надёжности радиоэлектронного оборудования, достигнутый на стадии конструирования и изготовления, в значительной степени определяет эффективность применения его в системах обеспечения безопасности мореплавания, при этом основное снижение эффективности, т.е. качества выполняемых функций, в процессе эксплуатации связано с понижением надёжности. Исходя из того, что этап эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры охватывает длительный период времени, то под влиянием различных внешних факторов, а также быстрого физического износа, вследствие неблагоприятных морских условий функционирования (влажность, вибрации, температура и др.), может произойти изменение уровня свойств (значений выходных параметров), опре деляющих качество радиоэлектронной аппаратуры и эффективность их функционирования [5].
Так, по данным МорСвязьКонсалтинг от 22 июня 2005 г.: "...даже очень короткий анализ задержания судов английскими морскими властями с декабря 2004 года по июнь 2005 года показывает, что среди ... причин задержания, достаточно много относящихся к судовому радиооборудованию. Перечислим только некоторые из них: спутниковый аварийный радиобуй в нерабочем состоянии; ПВ/КВ-радиоустановка в нерабочем состоянии; УКВ и Стандарт-С не переходят на аварийный источник питания; резервный источник питания не работает; оборудование НАВТЕКС постоянно печатает "Готовность" и не возвращается в состояние "Ожидание"; Стандарт-С не работает от резервного источника питания..."
Таким образом, проблема повышения уровня эксплуатационной надёжности судовой радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время является актуальной. Решение этой задачи основано на применении методов теории надежности, позволяющих определить количественные характеристики надежности рассматриваемой системы, на основе которых разрабатывается процесс технической эксплуатации, т.е. решается задача выбора номенклатуры и периодичности проведения мероприятий по обеспечению требуемого уровня надежности [6,7]. В процессе эксплуатации сложных технических систем важно знать, каким запасом надежности обладает система, какова роль обслуживающего персонала в деле поддержания надежности на приемлемом уровне, какие блоки, узлы, элементы системы работают наиболее ненадежно и требуют проведения в централизованном порядке предупредительных замен, регулировок или доработок. Современная теория надежности основывается на методах теории вероятностей и случайных процессов, математической логики, теории массового обслуживания и др. [6,7]. Расчёты основных показателей надежности, основаны на том, что при определенной структуре системы и имеющемся законе распределения наработки на отказ существуют вполне определенные зависимости между показателями надежности отдельных элементов и надежности системы в
целом. При этом выбранная модель анализа надежности должна адекватно отображать функционирование системы в реальных условиях с точки зрения исследуемых свойств. На стадии проектирования системы полученные количественные характеристики надежности позволяют сформулировать требования к надежности вновь разрабатываемой аппаратуры, выбрать наиболее подходящий вариант структуры, сравнивать надежность различных элементов и оценивать их влияние на надежность всей системы, рассчитывать сроки службы, необходимое число запасных деталей, выбрать меры по повышению надежности (резервирование, техническое обслуживание и ремонт и др.). В процессе эксплуатации принято говорить об эксплуатационной надежности системы [6,7], под которой понимают свойство системы безотказно работать в течение определенного интервала времени в заданных условиях эксплуатации при соблюдении установленных правилами технической эксплуатации (ПТЭ) мер технического обслуживания и текущего ремонта. Вследствие того, что проводить эксперименты и натурные испытания систем обеспечения безопасности мореплавания с целью получения вероятностных характеристик эксплуатационной надежности в большинстве случаев невозможно и нецелесообразно по многим причинам: экономическим, затратам времени, а также нарушения функционирования систем, то, как правило, для этих целей применяют методы математического моделирования, позволяющие анализировать как физические процессы, происходящие в исследуемом объекте, так и состояния исследуемого объекта в каждый момент времени.
Как известно из теории надежности, в процессе функционирования техническая система, с точки зрения надежности, проходит три периода: приработки, нормального функционирования и старения[8,9,10]. Поскольку элементы радиоэлектронных систем имеют большое значение наработки на постепенный отказ (старение и физический износ оборудования происходит значительнее позже, чем произойдет внезапный отказ с большой долей вероятности или моральное устаревание), то для них оправдано и широко применяетс гипотетическое предположение экспоненциального распределения времени наработки системы на отказ, что соответствует периоду нормальной эксплуатации, на котором в основном в системе происходят внезапные отказы, что значительно упрощает модель анализа надежности[7,10]. Однако, сложность взаимодействия элементов сложных систем и изменение их свойств во времени вследствие эксплуатационных нагрузок, приводит к необходимости применения методов анализа эксплуатационной надежности, которые учитывают наличие взаимосвязи между большим числом факторов, определяющих поведение рассматриваемой системы в процессе ее эксплуатации в реальных условиях, а также изменения во времени свойств системы и внешней среды. Кроме этого, необходимо учитывать результат действия внешних случайных факторов и так называемого человеческого фактора, являющегося причиной неопределённости в поведении системы в целом. Такой подход эффективен при исследовании сложных систем, для которых оказываются неприменимыми традиционные, как правило, прики-дочные или ориентировочные методы анализа надежности, основанные на поочерёдном изучении отдельных свойств системы или отдельных явлений, что значительно упрощает объект рассмотрения.
Таким образом, применение более полных методов анализа эксплуатационной надежности сложных радиоэлектронных систем, учитывающих большее число факторов и условий эксплуатации, позволяет с большей точностью спрогнозировать возможные отказы и предусмотреть все необходимые меры обеспечения требуемого высокого уровня эксплуатационной надежности сложной системы, что в свою очередь уменьшает время простоя системы и, как следствие, снижает ущерб от аварийности на морском транспорте.
Важность функций, выполняемых судовыми средствами связи, приводит к необходимости априори (до начала рейса) обеспечить высокий уровень надежности систем на весь рейс, что особенно важно при длительном плавании судов (в морских районах А3-А4), когда невозможно береговое техническое обслуживание судовых радиоэлектронных средств связи вследствие того, что судно не заходит в порты или районы плавания не имеют соответствующих центров сервисного обслуживания аппаратуры иностранных производителей и, тем более, российского производства. Это, в частности, касается судов с большой валовой вместимостью (свыше 300 тыс.тонн), вход которых в большинство морских портов мира ограничен глубинами и стесненностью акваторий, что приводит к увеличению времени нахождения судовых РЭС без квалифицированного технического обслуживания. Нельзя забывать о том, что в морских условиях эксплуатации радиооборудование изнашивается более быстрыми темпами по сравнению с береговым оборудованием, что вызывает рост вероятности возникновения отказов в процессе длительной эксплуатации, который не учитывается в процессе планирования системы технической эксплуатации данного оборудования на основе классических методов анализа надежности.
Из сказанного выше, следует, что за последние годы, традиционные системы связи и технологии их обслуживания претерпели существенные модерни-зационные изменения. Внедрение вахтового метода дальнего плавания с длительным отрывом (на 4-8 месяцев) от портов, в частности, от баз технического обслуживания и ремонта судовых радиоэлектронных систем (РЭС), стало нормой. Постепенно стала развиваться новая концепция технической эксплуатации судового радиоэлектронного оборудования навигации и радиосвязи, согласно которой роль радиооператора уменьшается или даже сводится к нулю, а функции обслуживания передаются совместителям (операторам-судоводителям). Эта глобальная мировая тенденция является отражением не только рыночных механизмов получения высокой прибыли судовладельцами (за счёт сокращения штата судовых команд), но и в значительной степени успехами производителей оборудования морской навигации и радиосвязи, многопорядково повысивших за последние 50-60 лет надежность этой аппаратуры и сделавших принципиально возможными дальние длительные походы без квалифицированного технического обслуживания РЭС.
Таким образом, отличительная новизна в техническом обслуживании РЭС на морском флоте затрагивает, прежде всего, радиоэлектронное оборудование для обеспечения длительного плавания судов в морских районах дальнего плавания (А3-А»). Целью настоящего исследования является детальный анализ средствами теории надежности и теории марковских процессов такого метода повышения надежности комплекса судовых средств радиосвязи, которое обеспечивало бы необходимую их надёжность и безопасность мореплавания в морских районах А3-А4 с автономностью плавания 4-8 месяцев при оперативном техническом обслуживании операторами-судоводителями (с ограниченной квалификацией в области радиоэлектроники).
При разработке модели эксплуатационной надежности судовых РЭС в длительном автономном плавании мы сталкиваемся с необходимостью учета надежности не только собственно технических средств (РЭС), но и надежности по-новому складывающейся системы технической эксплуатации, осуществляемой без выполнения традиционных ремонтных процедур, доступных только высококвалифицированным радиооператорам. Эксплуатация судовых РЭС операторами-судоводителями предполагает принципиально иной подход к восстановлению работоспособности РЭС, не похожий на традиционный ремонт. Эти технологии стали возможными лишь в последние десятилетия в связи с успехами модульной и микромодульной компоновки радиоаппаратуры и развитием техники больших интегральных схем (БИС). Их внедрение в технологии массового технического обслуживания РЭС позволило заменить традиционные ремонтные работы, выполняемые радиопрофессионалами, процедурами полуавтоматического и автоматического восстановления работы РЭС заменой тех или иных модулей; необходимость и адрес замены при этом подсказывается соответствующими диагностическими системами, встроенными в судовой комплекс РЭС и тест-таблицами. Это обеспечивает снижение требований к квалификации человека-оператора, ответственного за эксплуатацию и восстановление работоспособности РЭС, ограничивает непосредственно живое участие оператора-судоводителя в поиске неисправности, в нахождении нужного решения, и восстановлении утраченной работоспособности РЭС. Таким образом, рост эксплуатационной надежности РЭС достижим методами резкого сокращения времени восстановления отказавшего узла РЭС.
Объект исследования - судовые радиоэлектронные средства связи в условиях дальнего плавания в морских районах А3-А4.
Предмет исследования - эксплуатационная надежность судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного плавания.
Цель исследования:
- анализ факторов, влияющих на надежность РЭС, и причин проявления отказов судового радиоэлектронного оборудования связи и навигации (на базе эксплуатационных данных крупной судовой компании);
- минимизация числа отказов судовых РЭС в процессе их длительной эксплуатации;
- системный подход к обеспечению технической эксплуатации судовых РЭС связи (обоснование профилактического обслуживания и замен, а также норм на запасные модули).
Научная новизна защищаемых соискателем положений характеризуется следующими достижениями:
- проведен статистический анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации (на основе данных эксплуатации РЭС связи на судах крупной судоходной компании);
- разработана методика анализа влияния постепенных отказов на надежность судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью применения модели неоднородных марковских процессов;
составлены и исследованы надежностные схемы судовых РЭС связи с учетом восстановления в нетрадиционной области потоков (скоростей) восстановления, характерных для работы самовосстанавливающих автоматов и полуавтоматов;
оптимизировано число запасных модулей по вероятностному критерию, обеспечивающее безотказную работу судового радиоэлектронного обору дования связи в длительных рейсах;
- разработана методика регламентации профилактического обслуживания судовых радиоэлектронных средств связи в специфических для морской практики условиях.
Научная достоверность и обоснованность результатов. Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что все теоретические исследования и практические реализации основаны на использовании известных методических принципов современной науки (теорем, законов, методов). В диссертационной работе использованы теория марковских процессов, теория случайных процессов, теория вероятностей, теория массового обслуживания, оптимизация функций, численные методы. Использованы статистические данные об эксплуатации судовых РЭС.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что рассмотрены вопросы анализа и обеспечения надежности судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного автономного плавания, когда период эксплуатации РЭС превышает значение наработки на отказ. В частности, разработаны методика учета постепенных отказов судовых радиоэлектронных средств (процессов старения и износа) при их длительной эксплуатации в процессе технической эксплуатации и обеспечении запасными модулями. Полученные результаты работы используются в учебном процессе, дипломном проектировании и аспирантской работе на кафедре "Радиосвязь на морском флоте" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях и семинарах в МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова в 2000-2005 гг. и на международной научной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (г. Пенза) в 2003 г.
Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована автором в 9 работах Сборника научных трудов МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск) и Материалах международной научной конференции, проходившей в г. Пенза, а также в написанной с соавторами монографии, посвященной вопросам надежности и технической эксплуатации сложных морских радиоэлектронных систем. Две работы опубликованы в изданиях списка ВАК.
Личный вклад в научные разработки, защищаемые в диссертации, определяющий, т.к. основные научные результаты получены лично автором, а остальная часть - в соавторстве с научными сотрудниками кафедры "Радиосвязь на морском флоте" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.
На защиту выносятся:
1. Анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации по статистическим эксплуатационным данным крупной судовладельческой компании ОАО "Новошип" (г. Новороссийск).
2. Результаты исследования зависимости вероятности безотказной работы от длительности эксплуатации на основе надежностных схем судовых РЭС связи с восстановлением работы после отказа в широкой области потоков (скоростей) восстановления.
3. Методика анализа надежности судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью модели неоднородных марковских процессов, учитывающей поток внезапных отказов и влияние процессов старения и износа оборудования при длительности эксплуатации, превышающей значение наработки оборудования на отказ.
4. Методика организации системы технического обслуживания судовых РЭС связи, оптимизирующая число запасных модулей и регламент профилактического обслуживания, обеспечивающая безотказную работу судового радиоэлектронного оборудования связи в течение длительного рейса (4-8 месяцев).
Судовые радиоэлектронные средства обеспечения безопасности мореплавания
Основными задачами, выполняемыми как судовыми, так и береговыми радиоэлектронными средствами связи на морском транспорте являются [11]: - обеспечение безопасности мореплавания и охраны человеческой жизни на море; - обеспечение оперативно-диспетчерского руководства работой морского флота, портов, пароходств, береговых предприятий и других организаций, эксплуатирующих морской флот; - обеспечение обмена информацией с взаимодействующими организациями и ведомствами; - обеспечение обмена информацией с организациями и представителями за границей и иностранными организациями, а также в случаях обмена по сигналам бедствия и вопросам охраны человеческой жизни на море; - обеспечение передачи и обработки частной корреспонденции пассажиров и членов экипажей судов.
Согласно требованиям главы IV Международной Конвенции по охране человеческой жизни на море (СОЛАС74) и поправок к этой конвенции, принятых в 1988 году, страны участницы, в том числе Российская Федерация, должны обеспечить к 1 февраля 1999 года полный ввод в действие Глобальной Морской Системы Связи при Бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ). Кроме создания береговых базовых станций оборудование ГМССБ надлежит иметь всем судам, подпадающим под действие Международной конвенции, а с 2005 года - всем без исключения, в том числе и кораблям военно-морского флота[1,12].
Существующая система радиосвязи при бедствии и для обеспечения безопасности на морском транспорте в соответствии с требованиями СОЛАС74 основана на том, что определенные классы судов при нахождний в море должны круглосуточно нести радиовахту на международных частотах вызова и бедствия, выделенных для этих целей МСЭ и включенных в Регламент радиосвязи. При этом суда должны быть оснащены соответствующим радиооборудованием, способным передавать радиосигналы на определенное минимальное расстояние, определяемое зоной действия соответствующих радиоэлектронных средств. Для обеспечения высокой эффективности функционирования системы все пространство мирового океана поделено на так называемые морские районы А], А2, Аз и А4, определяемые, как было сказано выше, дальностью охвата береговыми средствами связи, осуществляющими наблюдение на каналах вызова и бедствия. Согласно [1]: - морской район А] означает район в пределах зоны действия в режиме радиотелефонии по крайней мере одной береговой УКВ станции, обеспечивающей постоянную возможность передачи сообщений о бедствии с использованием ЦИВ (около 30-40 миль); - морской район Аг означает район, за исключением морского района Аь в пределах зоны действия в режиме радиотелефонии по крайней мере одной береговой ПВ станции, обеспечивающей постоянную возможность передачи сообщений о бедствии с использованием ЦИВ (около 150 миль); - морской район Аз означает район, за исключением морских районов Ai и А2, в пределах зоны действия системы геостационарных спутников ИНМАРСАТ, обеспечивающих постоянную возможность оповещения о бедствии; - морской район А4 включает в себя в основном полярные области, не входящие в остальные районы.
Кроме этого, суда в районе места бедствия, должны быть в возможно короткий срок извещены об аварии и, соответственно, должны принять участие в скоординированной поисково-спасательной операции с минимальными затратами времени. ГМССБ должна также обеспечить связь с позиций безопасности и срочности, а также передачу информации по безопасности мореплавания, включая навигационные и метеорологические предупреждения. Другими словами, любое судно независимо от района плавания должно быть способно обеспечить связь, надежную с точки зрения безопасности самого судна и других судов, находящихся в данном районе, используя при этом все средства радиосвязи морской подвижной службы (спутниковую связь, радиосвязь в диапазонах УКВ, ПВ, KB). В будущем это позволит осуществить полную автоматизацию процесса передачи и приема сообщений о бедствиях с использованием современных информационных технологий и систем морского, наземного и космического базирования.
Судовые средства ГМССБ обеспечивают радиообмен с судами, с радиостанциями самолетов, вертолетов, с береговыми радиостанциями, с абонентами различных береговых сетей [1,11]. Для этих целей применяются различные системы связи, работающие на метровых (16-ый, 70-ый, 6-ой каналы, АРБ), дециметровых (ИНМАРСАТ, АРБ), сантиметровых (радиолокационные ответчики), гектометровых (радиотелефония при бедствии, ЦИВ, радиотелекс при бедствии и для обеспечения безопасности) и декаметровых (передача ИБМ с использованием УБПЧ, ЦИВ, радиотелекс и радиотелефония в случае бедствия, а также радиотелефония для связи с летательными аппаратами) волнах.
Осуществляется также прием навигационных и метеорологических извещений, предупреждений и другой информации. В состав судового радиооборудования ГМССБ в зависимости от района плавания согласно Резолюции ИМО А.704(17) и Правил IV/7-IV/11 С0ЛАС74 входят[1]: - системы радиосвязи морской подвижной службы (МПС) с ЦИВ в диапазонах ПВ, KB, УКВ и аварийные радиобуи; - система спутниковой связи ИНМАРСАТ морской подвижной спутниковой службы (МПСС) в диапазоне УВЧ и аварийные буи этой системы на частоте 1,6771/; - аварийные буи КОСПАС-САРСАТ этой системы на частотах 121,5 и 406,025 МГц; - система НАВТЕКС на частоте 518 кГц; - радиолокационные ответчики в диапазоне СВЧ (длина волны Х=3,2 см); - носимые УКВ-радиостанции, обеспечивающие работу на частоте 156,8 МГц (16-ый канал) и ещё хотя бы одном симплексном канале. Автоматическая передача сообщений о бедствии осуществляется с помощью судовых средств радиосвязи и автоматических радиобуев.
Согласно IV/4.1 СОЛАС74 судовое радиооборудование ГМССБ должно обеспечивать[1]: - передачу оповещений о бедствии в направлении судно-берег с места управления судном, по меньшей мере, двумя отдельными и независимыми средствами, каждое из которых использует различные виды радиосвязи; - прием оповещений о бедствии в направлении берег-судно; - передачу и прием оповещений о бедствии в направлении судно-судно; - передачу и прием сообщений для координации поиска и спасания; - передачу и прием сообщений на месте бедствия; - передачу и прием сигналов для определения местоположения; - передачу и прием информации по безопасности на море; - передачу и прием сообщений общего назначения, не касающихся бедствия и безопасности, через береговые сети и системы; - передачу и прием сообщений "мостик-мостик".
Факторы, влияющие на надежность судовых радиоэлектронных средств связи
Достигнутый в конце 20-го века уровень надёжности работы радиоэлектронных средств, используемых при судовождении, весьма высок. Так частота отказов современных интегральных микросхем, составляющих основную элементную базу современных устройств радиосвязи, составляет 1(Г6-И(Г91/час, что соответствует десятилетиям безотказной работы систем в режиме нормальной эксплуатации [27,28]. Это тот уровень надежности, который заложен в оборудование при его конструировании и изготовлении. Так, на надежность электронной схемы при изготовлении влияет технология монтажа компонентов на плате, способ их размещения и соединения проводниками, наличие экранировки системы, расположение чувствительных к перегреву элементов (электролитических конденсаторов, полупроводниковых приборов и др.) отдельно от интенсивных источников тепла и т.д. Однако, как показывают результаты обработки статистических данных по эксплуатации, отказы судового радиооборудования происходят значительно чаще, что следует из приведенных выше частот отказов. Это связано, прежде всего, с усложнением самого комплекса радиооборудования связи, внедрением новых средств, быстрым физическим износом оборудования вследствие эксплуатации в сложных морских условиях качки, влажности и других факторов.
Все факторы, негативно влияющие на надежность системы в процессе ее эксплуатации по назначению, можно условно разделить на две категории: субъективные (зависящие исключительно от действий обслуживающего персонала) и объективные (связанные с внешними воздействиями на аппаратуру, с особенностями работы схемы, определяемыми структурой ее построения, с особенностями применения в схеме отдельных элементов, с внутренними процессами, определяющими старение и износ элементов) [29,30].
Сложные информационные системы содержат в своем составе технические средства, программное обеспечение и человека-оператора (группу операторов). В качестве технических средств рассматриваются вычислительные комплексы, системы передачи данных с аппаратурой приема и передачи, ввода и вывода необходимой информации и другие устройства. Поскольку свои функции технические средства выполняют под управлением оператора (судоводителя, радиоэлектроника), то надежность технических систем в процессе их эксплуатации может ухудшаться под действием субъективных факторов [30] или так называемого человеческого фактора. Человеческий фактор оказывает существенное влияние на надежность аппаратуры на всех этапах, начиная от проектирования и изготовления и заканчивая эксплуатацией по назначению. Однако, следует отметить, что, если допущенные ошибки или неточности при изготовлении аппаратуры в большей степени компенсируются и устраняются во время проведения испытаний, то значительное влияние на надежность оборудования в процессе эксплуатации оказывают ошибки обслуживающего и эксплуатирующего персонала. Как показывают результаты обработки статистических данных по эксплуатации судовых радиоэлектронных средств связи и навигации, в 13% случаев их причиной является неграмотная эксплуатация. Субъективные воздействия происходят из-за неправильных действий людей, эксплуатирующих или обслуживающих систему, обусловленные недостатком знаний, опыта, небрежностью в обращении с аппаратурой при ее обслуживании, а также плохой организацией работы. Практика эксплуатации сложных радиоэлектронных систем показывает, что более трети отказов возникает из-за неправильной эксплуатации аппаратуры. Так, например, к отказу морского радиооборудования могут привести неправильные и необоснованно частые включение и выключение аппаратуры, ускоряющие износ некоторых элементов (контакторов, реле, переключателей и т. п.), установка предохранителей, не соответствующих номиналам, нарушение правил настройки и регулировки и т.п.
К объективным факторам, влияющим на надежность рассматриваемых судовых радиоэлектронных систем, можно отнести климатические условия эксплуатации. Так, высокая влажность (больше 90 %) приводит к отпотеванию аппаратуры, к коррозии металлов вследствие окисления и образования гальванических пар, в результате чего наблюдаются определенные, иногда значительные, отклонения параметров элементов систем от значений, характерных для нормального функционирования. Как известно [31], влага имеет высокую проникающую способность, высокую химическую активность, диэлектрическую проницаемость и электропроводность, следовательно, ее воздействие на радиоэлектронную аппаратуру может привести как к внезапному, так и к постепенному отказу. К воздействию влаги наиболее чувствительны элементы интегральных микросхем. Например, воздействие влаги может привести к электролитической или химической коррозии, появлению утечек (создаются условия для поверхностных пробоев, коротких замыканий между точками с высокими потенциалами), увеличению емкости электрического монтажа, росту высокочастотных потерь, снижению сопротивления изоляции и расстройке наиболее критичных каскадов схемы. Особое влияние на работоспособность радиоприемного устройства оказывает состояние фидерной линии, в которой под влиянием дестабилизирующих факторов накапливаются повреждения. Так, под влиянием перепадов температуры, солнечной радиации, влажности происходит старение диэлектрика, сопровождающееся образованием микротрещин, которые в последствии насыщаются влагой. Этот процесс ведет к росту проводимости диэлектрика, а, следовательно, и к росту диэлектрических потерь. При старении диэлектрика существенный вклад в увеличение шумов вносят: растущий тангенс угла потерь, увеличивающаяся диэлектрическая проницаемость є, а также уменьшающаяся из-за окисления оплетки кабеля проводимость токоведущих поверхностей.
Обоснование неоднородной марковской модели анализа эксплуатационной надежности судовых радиоэлектронных средств связи
Анализ причин отказов сложных радиоэлектронных систем показывает, что в реальных условиях функционирования отказы аппаратуры определяются, как правило, отказами элементов, происходящими как в результате воздействия внешних неблагоприятных факторов, так и в результате процессов старения и износа, приводящих к постепенной деградации основных параметров систем. Особенно это характерно для морского радиооборудования, так как действие дестабилизирующих факторов на скорость изменения определяющих параметров, несмотря на принимаемые в соответствии с IV/6.2 СОЛАС74 меры, значительнее, чем для береговых условий эксплуатации. Постепенные отказы систем обусловлены постепенными изменениями параметров тех или иных элементов, входящих в их состав; постепенные отказы могут быть вызваны или слишком большими отклонениями параметров элементов, или ошибками в определении допусков на эти параметры[8,24,45]. Исходя из сказанного выше, представляет интерес рассмотреть изменение показателей надежности (коэффициента готовности) в процессе эксплуатации рассматриваемых морских радиоэлектронных систем при совместном проявлении внезапных и постепенных отказов.
При этом следует отметить, что область применимости однородных марковских процессов с непрерывным временем и дискретными состояниями, рассмотренных в п.п.2.1 данной главы, для описания функционирования рассматриваемых систем в целях оценки их надежности достаточно велика, однако, требования экспоненциальности законов надежности, является существенным ограничением. Если рассматриваемый интервал эксплуатации системы, слишком велик по сравнению с наработкой системы на отказ, то на нем нельзя пренебречь старением составляющих элементов и упомянутое требование не выполняется. В таком случае закон надежности будет существенно отличен от экспоненциального и для анализа надежности в данной работе предлагается использовать более общую модель марковских неоднородных процессов с непрерывным временем и дискретными состояниями. Динамика перехода системы из одного состояния в другой описывается системой дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена вида (2.3) с переменными коэффициентами. Следует отметить, что решение системы дифференциальных уравнений (2.3) с переменными коэффициентами Af(t) в общем случае представляет весьма сложную проблему, особенно когда число уравнений больше трех. Как правило, такие системы решались путем ее замены на конечном интервале времени другой системой дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами (средней интенсивностью отказов на рассматриваемом интервале времени), которая в статистическом смысле была бы эквивалентна исходной на- фиксированном интервале времени [46]. Появление средств компьютерной математики, а также ЭВМ высокой производительности позволило сделать решение таких систем уравнений менее трудоемким и исключить применение приближенных аналитических методов для их решения.
В общем случае, марковскую модель, в основе которой лежит неоднородный марковский процесс, можно использовать для описания функциониро вания элемента с произвольными законами надежности, если для этих законов выполняется следующее специфическое условие. Восстановление отказавшего элемента не изменяет характеристик его безотказности, т.е. после восстановления работоспособности интенсивность отказа элемента сохраняется такой же, какой она была бы, если бы элемент всё это время находился в работоспособном состоянии. Аналогичное условие должно быть справедливо для характеристик ремонтопригодности элемента.
Процесс старения технических систем определяется внутренними физическими процессами, такими как износ, усталость и т.д. При этом в качестве теоретических распределений наработки до отказа могут быть использованы любые применяемые в теории вероятностей непрерывные распределения с монотонно возрастающей функцией интенсивности во времени. В теории надежности наибольшее распространение получили следующие законы распределения наработки на отказ - закон Релея; нормальный закон; гамма-распределение; закон В ейбулла-Гнеденко [30,46,47,4 8].
Однако, наиболее часто процессы старения и связанные с ними постепенные отказы описываются нормальным законом, в отличие от внезапных, которые описываются экспоненциальным законом. Этот вид распределения является наиболее важным в связи с центральной предельной теоремой теории вероятностей [28,49,50,51]: распределение суммы независимых случайных величин стремится к нормальному закону с увеличением их количества при произвольном законе распределения отдельных слагаемых, если слагаемые обладают конечной дисперсией.
Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи по внезапным отказам
Для получения количественных показателей надежности в соответствии с (2.3) составляем систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена для вероятностей состояний УКВ-радиоустановки, описывающую динамику процесса переходов марковского процесса из одного состояния в другое (рис.3.1): где Л - суммарная интенсивность отказов нерезервированных элементов: приемного устройства РТС (А,) , передающего устройства РТС (А2), блока управления РТС (А3) антенно-фидерного устройства РТС (А5),приемного устройства
ЦИВ (Декодирующего устройства ЦИВ (Л7),органов управления и индикации ЦИВ (Л8), антенно-фидерного устройства ЦИВ (Я,); М - суммарная интенсивность восстановления нерезервированных элементов ( и 2, 3,]и5,/л6, 7, ,]и9 соответственно); Л24 - интенсивность отказов пульта дистанционного управления; //24 - интенсивность восстановления пульта дистанционного управления; яі4 - интенсивность отказов органов управления и индикации; /Л4 — интенсивность восстановления органов управления и индикации; м10 - интенсивность отказа основного источника питания; Л210 - интенсивность отказа аварийного источника питания; яз0 - интенсивность отказа резервного источника питания; //110, //210, /Л10 - интенсивность восстановления основного, аварийного и резервного источников питания соответственно.
Функция готовности, т.е. значение вероятности того, что система окажется в произвольный момент в работоспособном или частично работоспособном состоянии, судовой УКВ-радиоустановки равна сумме вероятностей всех работоспособных состояний[30,65,66]: Кукв(1)=Ро(0+Р2(0+Рз(0+ Рз(0+Рб(0+Р7(0+ Pii(t)+Pi2(t)+Pi6(t). (3.2)
Усредненные значения интенсивностей отказов, полученные из обзора технической документации и обработки эксплуатационных статистических данных для оборудования УКВ-радиоустановки производства фирмы ЕигоСот Industries A/S и FURUNO, а также отечественных производителей представлены в табл.3.1.
Ниже приведена программа анализа надежности судовой УКВ-радиоустановки с учетом восстановления и без восстановления, выполненные в математическом редакторе MathCAD 2003. Результаты решения системы дифференциальных уравнений (3.1) методом Рунге-Кутта с адаптируемым шагом, представлены графически на рис.3.2 и рис.3.3 в виде временных зависимостей коэффициента готовности, а полученные численные значения приведены в приложении 1. Метод Рунге-Кутта обладает значительной точностью (четвертый порядок точности), и, несмотря на свою трудность, широко используется при численном решении дифференциальных уравнений с помощью ЭВМ. Кроме этого, важным преимуществом этого метода является возможность применения адаптированного (переменного) шага. В качестве начальных условий приняты: значение вероятности нулевого состояния равно единице, а вероятности остальных состояний равны нулю, что соответствует тому, что в начальный момент времени (начало эксплуатации ил после капитального ремонта) система находится в работоспособном состоянии с вероятность равной единице. Результаты были получены при различных интенсивностях отказности рассматриваемых средств: в режиме активного использования по назначению; в режиме дежурного наблюдения (за счет отсутствия переговоров поток отказов в два раза меньше, при активном использовании по назначению) и в условиях и режимах сильно нагруженной эксплуатации (поток отказов в два раза выше в нормальном режиме эксплуатации).
