分布式切換技術(shù)對時統(tǒng)可靠性的影響?

韓健，劉崇偉（解放軍63999部隊，北京100094）

分布式切換技術(shù)對時統(tǒng)可靠性的影響?

韓健，劉崇偉
（解放軍63999部隊，北京100094）

為了分析分布式切換技術(shù)對時統(tǒng)可靠性的影響，在給出集中式切換時統(tǒng)和分布式切換時統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和信號流程的基礎(chǔ)上，建立了兩種切換技術(shù)的頻率信號和時碼信號的可靠性模型，并分別計算了其可靠性。結(jié)果表明，分布式切換技術(shù)對時統(tǒng)頻率信號和時碼信號可靠性的提高均超過40%，能夠為時統(tǒng)可靠性設(shè)計提供參考依據(jù)。

時統(tǒng)；分布式切換；可靠性模型；失效率

1 引言

時統(tǒng)是由導(dǎo)彈、航天試驗等長距離或超長距離測量和控制的需求而發(fā)展起來的一門工程學(xué)科，目前已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測控、通信、交通等領(lǐng)域。時統(tǒng)向用戶設(shè)備提供高精確度、高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)時間和頻率信號，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)時間和頻率的統(tǒng)一［1］。可靠性是時統(tǒng)最為重要的技術(shù)指標(biāo)之一，因此在時統(tǒng)的設(shè)計和研制過程中必須進(jìn)行可靠性管理［2＼?。在傳統(tǒng)的時統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般采用集中式切換技術(shù)，然而集中式切換會導(dǎo)致切換器成為系統(tǒng)可靠性的瓶頸。分布式技術(shù)由于采用故障分散原則，在原理上能夠提高系統(tǒng)可靠性［3］。國內(nèi)學(xué)者對分布式技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，但對分布式切換技術(shù)及其在時統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用和影響研究較少。本文采用可靠性工程理論對分布式切換技術(shù)在時統(tǒng)中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

2 時統(tǒng)中的分布式切換技術(shù)

2.1 集中式切換的時統(tǒng)結(jié)構(gòu)

時統(tǒng)設(shè)備主體由頻率標(biāo)準(zhǔn)單元、定時單元、時碼產(chǎn)生單元和區(qū)放輸出單元組成［1］。為了提高系統(tǒng)可靠性，一般關(guān)鍵單元采用冗余備份設(shè)計。本文對冗余情況設(shè)定如下：

（1）頻率標(biāo)準(zhǔn)單元采用2個銣原子鐘（或石英晶振）冗余；

（2）定時單元采用GPS和“北斗”冗余；

（3）時碼產(chǎn)生單元采用2個時碼產(chǎn)生器冗余；

（4）區(qū)放輸出單元采用2路輸出為同一用戶提供信號冗余。

對于冗余備份設(shè)計，多路輸入需要進(jìn)行選擇切換，因此系統(tǒng)設(shè)計中需要增加切換器。在傳統(tǒng)時統(tǒng)設(shè)計中一般采用集中切換方法，即切換器位于冗余單元之后和下一級輸入之前，切換器選擇一路信號后輸入下一級單元，其結(jié)構(gòu)組成和信號流程如圖1所示。由此可見，在集中式切換方法中任何一個切換器發(fā)生故障則整個系統(tǒng)故障，因此切換器成為系統(tǒng)可靠性的瓶頸。

2.2 分布式切換的時統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式技術(shù)就是在網(wǎng)絡(luò)計算平臺上開發(fā)、部署、管理和維護(hù)，以資源共享和協(xié)同工作為主要目標(biāo)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)具有資源共享、開放性、并發(fā)性、容錯性和透明性等特征。目前分布式技術(shù)已經(jīng)突破計算機(jī)領(lǐng)域，在工業(yè)控制、發(fā)電系統(tǒng)、信息監(jiān)測等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［4-5］。將分布式技術(shù)應(yīng)用于冗余切換方面即為分布式切換技術(shù)。分布式切換就是把切換器“后移”到下一級單元的每個冗余模塊中，多路冗余信號同時輸入下一級冗余模塊并在其中進(jìn)行選擇切換，這在原理上能夠解決切換器的可靠性瓶頸問題，從而提高時統(tǒng)可靠性。為了降低時碼產(chǎn)生器之前定時切換和頻標(biāo)切換的復(fù)雜度，本文采用的方法是將頻標(biāo)與時碼產(chǎn)生器“綁定”，即將頻標(biāo)和時碼產(chǎn)生器一一對應(yīng)關(guān)系固定，則減少了頻標(biāo)切換過程。

按照上述設(shè)計，時統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和信號流程如圖2所示。由圖可見分布式切換技術(shù)避免了切換器成為可靠性瓶頸的問題，但代價是增加了切換器的數(shù)量。

3 可靠性計算分析

3.1 可靠性模型

分布式切換技術(shù)在原理上能夠提高系統(tǒng)的可靠性，但還需要定量的計算驗證。本文根據(jù)集中式切換和分布式切換兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信號流程建立系統(tǒng)的可靠性模型，進(jìn)行可靠性的計算和對比。通過分析可知，在集中式切換時統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性模型中包含了熱儲備系統(tǒng)、表決系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。其中2個定時參考源為熱儲備系統(tǒng)；2個頻標(biāo)為熱儲備系統(tǒng)；2個時碼產(chǎn)生器為熱儲備系統(tǒng)；定時單元和頻標(biāo)單元既為串聯(lián)系統(tǒng)又為表決系統(tǒng)；表決系統(tǒng)和時碼產(chǎn)生器為串聯(lián)系統(tǒng)；2個頻率信號輸出和2個時碼信號輸出均為并聯(lián)系統(tǒng)。由分析可知，上述表決系統(tǒng)為特殊情形的2／2（G）系統(tǒng)，即定時單元和頻標(biāo)單元均正常時表決系統(tǒng)正常，該系統(tǒng)等價于2個單元的串聯(lián)系統(tǒng)，又由于定時單元和頻標(biāo)單元本身為串聯(lián)系統(tǒng)，因此表決系統(tǒng)可以忽略。則集中式切換時統(tǒng)的頻率信號和時碼信號的可靠性模型框圖如圖3所示。

分布式切換技術(shù)將切換器“后移”從而避免了集中切換，但是所有的切換原理仍為熱儲備系統(tǒng)。由于可靠性模型比較復(fù)雜，將頻率信號和時碼信號單獨(dú)分析。在分布式切換頻率信號可靠性模型中包含并聯(lián)系統(tǒng)、串聯(lián)系統(tǒng)和熱儲備系統(tǒng)。其中2個定時參考源為熱儲備系統(tǒng)；定時參考源切換后和頻標(biāo)為串聯(lián)系統(tǒng)；2個頻標(biāo)為熱儲備系統(tǒng)；頻標(biāo)切換后和頻率信號輸出為串聯(lián)系統(tǒng)；2個頻率信號輸出為并聯(lián)系統(tǒng)。分布式切換時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻率信號可靠性模型框圖如圖4所示，其中為了簡化框圖用“定時參考源切換”模塊代表2個定時參考源和定時切換器組成的熱儲備系統(tǒng)。在分布式切換時碼信號可靠性模型中包含并聯(lián)系統(tǒng)、串聯(lián)系統(tǒng)、熱儲備系統(tǒng)和表決系統(tǒng)，并聯(lián)、串聯(lián)和熱儲備與頻率信號基本相同，不同的是定時單元和頻標(biāo)既為串聯(lián)又為表決系統(tǒng)。表決系統(tǒng)也為特殊情形的2／2（G）系統(tǒng)，即定時單元和頻標(biāo)均正常時表決系統(tǒng)正常，該系統(tǒng)等價于2個單元的串聯(lián)系統(tǒng)，又由于定時單元和頻標(biāo)本身為串聯(lián)系統(tǒng)，因此表決系統(tǒng)可以忽略，即為定時單元、頻標(biāo)與時碼產(chǎn)生器形成串聯(lián)系統(tǒng)，分布式切換時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時碼信號可靠性模型框圖如圖5所示。

3.2 可靠性計算分析

為了計算上述兩種結(jié)構(gòu)不同信號的可靠性，首先設(shè)定所有組成單元的可靠性大小，本文采用失效率λ來表征可靠性指標(biāo)。電子期間的壽命一般服從指數(shù)分布，可靠性設(shè)定如下：2個定時參考源的失效率均為λ1，定時切換失效率為λ2，2個頻標(biāo)的失效率均為λ3，頻標(biāo)切換器的失效率為λ4，時碼產(chǎn)生器的失效率為λ5，時碼切換器的失效率為λ6，頻率信號輸出失效率為λ7，時碼信號輸出失效率為λ8。根據(jù)時統(tǒng)不同單元的設(shè)計和工藝復(fù)雜程度、設(shè)備研制場所采用的可靠性分配方案和工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，本文對不同單元的失效率大小關(guān)系設(shè)定如下：

按照可靠性模型中的串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和兩單元熱儲備系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性計算方法進(jìn)行計算［6］，集中式切換時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻率信號和時碼信號的系統(tǒng)失效率λtf和λtt由下式計算。

分布式切換時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻率信號和時碼信號的系統(tǒng)失效率λdf和λdt計算如下。

將兩種時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻率信號和時碼信號系統(tǒng)失效率作比較，即

可見分布式切換技術(shù)降低了時統(tǒng)的系統(tǒng)失效率，即提高了系統(tǒng)可靠性。將兩種時統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻率信號和時碼信號的平均無故障工作時間（MTBF）作比較，即

可見基于本文對不同單元可靠性的設(shè)定，分布式切換技術(shù)對時統(tǒng)的頻率信號系統(tǒng)可靠性提高了43%，對時統(tǒng)的時碼信號系統(tǒng)可靠性提高了47%，提高程度均大于40%。

4 結(jié)束語

本文對分布式技術(shù)應(yīng)用于時統(tǒng)冗余切換領(lǐng)域?qū)r統(tǒng)可靠性的影響進(jìn)行了分析，可以得出如下結(jié)論：分布式切換技術(shù)能夠有效提高時統(tǒng)可靠性，對頻率信號和時碼信號可靠性的提高程度均超過40%，代價是增加了一定數(shù)量的切換器。研究結(jié)論能夠為時統(tǒng)可靠性的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。另外，本文的計算結(jié)果基于對時統(tǒng)不同單元失效率關(guān)系的一定假設(shè)，對于其他的時統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不同的系統(tǒng)失效率，分布式切換技術(shù)對可靠性的提高程度有所不同。

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［4］王曉楠，王穎龍.聯(lián)合防空戰(zhàn)場信息網(wǎng)分布式模糊控制策略［J］.電訊技術(shù)，2009，49（10）：21-25. WANG Xiao-nan，WANG Ying-long.Distributed Fuzzy Control Strategy of Joint Air-defense Battle Information Network［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（10）：21 -25.（in Chinese）

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HAN Jian was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1980.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is time and frequency technology.

Email：jianhan1224＠163.com

劉崇偉（1966—），男，四川南充人，1987年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為軍事航天通信技術(shù)。

LIU Chong-wei was born in Nanchong，Sichuan Province，in 1966.He received the B.S.degree in 1987.He is now a senior engineer.His research direction is military astronautics communication technology.

Effect of Distributed Switch Technology on Time Unification System Reliability

HAN Jian，LIU Chong-wei
（Unit63999 of PLA，Beijing 100094，China）

In order to analyse the effect of the switch technology on time unification system，the structure and signal process oftime unification system using centralized switch technology and distributed switch technology are given，the reliability models of frequency signal and time-code signal based on the two switch technology are established，and the reliability is computed respectively.The results show that distributed switch technology can improve the system reliability of frequency signal and time-code signal over 40 percent.The technology can provide reference for the reliability design of time unification system.

time unification system；distributed switch；reliability model；failure rate

TP273；TB114.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.028

韓?。?980—），男，江蘇徐州人，2006獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為時間頻率技術(shù)；

1001-893X（2012）02-0255-04

2011-11-16；

2011-12-27