考慮抑制耦合關(guān)系的5G業(yè)務(wù)故障分析方法

陳 琨, 黃 寧,2,*, 吳祥蔚, 趙靜萌

(1. 北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院, 北京 100191;2. 北京航空航天大學(xué)可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191)

0 引 言

相較于傳統(tǒng)系統(tǒng),第五代移動(dòng)通信(5th-generation, 5G)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于能夠在同一套基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上動(dòng)態(tài)部署和運(yùn)行多業(yè)務(wù),而網(wǎng)絡(luò)切片(network slicing, NS)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network functions virtualization, NFV)等新技術(shù)的應(yīng)用,也使得5G業(yè)務(wù)相較于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)具有以下新機(jī)制:① 網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的靈活重用機(jī)制;② 虛擬網(wǎng)元的按需調(diào)度和重分配機(jī)制;③ 配備“自治化”的邊緣計(jì)算與本地管理控制平臺(tái)。

這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、資源上的共用和自控機(jī)制也使得5G業(yè)務(wù)在發(fā)生故障時(shí)并不像傳統(tǒng)業(yè)務(wù)一般,能滿足獨(dú)立失效假設(shè),而是存在業(yè)務(wù)故障間的特定關(guān)聯(lián)關(guān)系,本文稱之為“耦合關(guān)系”。其中,抑制耦合作為5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中廣泛存在的一類耦合關(guān)系,對(duì)業(yè)務(wù)的可靠與否具有重大影響?！耙种岂詈稀备拍钭钤绯鲎陨韺W(xué),用以描述“當(dāng)支配肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受到傳入沖動(dòng)的興奮,而支配其拮抗肌的神經(jīng)元?jiǎng)t受到這種沖動(dòng)的抑制”的生理活動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于5G業(yè)務(wù)故障而言,這種耦合關(guān)系描述了業(yè)務(wù)故障間此消彼長(zhǎng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)若干個(gè)業(yè)務(wù)故障間存在抑制耦合關(guān)系時(shí),其中一個(gè)業(yè)務(wù)的功能或性能下降會(huì)帶來其他業(yè)務(wù)的功能和性能的同步增長(zhǎng),這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系可能由以下原因產(chǎn)生:

(1) 業(yè)務(wù)本身的邏輯關(guān)系所帶來的故障間抑制耦合。如由于早期的長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)取消了電路交換域(circuit switching domain, CSD),因而不支持語音業(yè)務(wù),在有電話業(yè)務(wù)接入時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開4G信號(hào),回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)完成語音通話。這個(gè)切換時(shí)間在2 s左右,因而在信號(hào)切換的時(shí)間里,用戶的上網(wǎng)業(yè)務(wù)斷開。在后續(xù)的通話業(yè)務(wù)過程中,用戶的上網(wǎng)業(yè)務(wù)會(huì)降級(jí)。在5G的初期商用階段,在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)仍然存在通過回落到2G/3G來完成語音通話的現(xiàn)象,即同樣存在通話業(yè)務(wù)的調(diào)用會(huì)抑制上網(wǎng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。

(2) 由于5G業(yè)務(wù)間對(duì)某類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件或網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)用關(guān)系帶來的故障間抑制耦合。如當(dāng)兩個(gè)處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶需要同時(shí)通過一個(gè)客戶前置設(shè)備(customer premise equipment, CPE)向5G基站傳輸信號(hào)時(shí),他們之間存在對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)共用,從而其業(yè)務(wù)故障間存在抑制耦合關(guān)系。上述兩個(gè)傳輸業(yè)務(wù)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的共用帶來如下結(jié)果:當(dāng)兩個(gè)業(yè)務(wù)都處于正常狀態(tài)時(shí),兩個(gè)業(yè)務(wù)在傳輸時(shí)可能會(huì)帶來意料之外的延遲,從而使得兩個(gè)業(yè)務(wù)都因?yàn)椴荒馨磿r(shí)交付而故障。當(dāng)其中一個(gè)業(yè)務(wù)由于終端設(shè)備故障等原因無法對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行調(diào)用時(shí),另一個(gè)業(yè)務(wù)則能夠從中獲益,從而在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

(3) 業(yè)務(wù)調(diào)用的構(gòu)件本身帶來的故障間抑制耦合。在“5G+遠(yuǎn)程控制”業(yè)務(wù)場(chǎng)景中,底層電氣設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(electromagnetic interference, EMI),體現(xiàn)在騷擾源設(shè)備由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生共模電流和差模電流,這些干擾電流對(duì)其周邊一定范圍內(nèi)的敏感設(shè)備產(chǎn)生影響,使得敏感設(shè)備的性能降級(jí)甚至功能失效。

傳統(tǒng)意義上的故障分析方法包括可靠性框圖(reliabi-lity block diagrams,RBD)和故障樹分析(fault tree analysis, FTA)方法。其中RBD通過方框和連線來表示構(gòu)件單元間的物理連接關(guān)系,基于此來估算系統(tǒng)的可靠與否;傳統(tǒng)FTA包括故障樹建模、故障樹定性分析、故障樹定量評(píng)估3個(gè)方面。通過邏輯門來表征構(gòu)件間的邏輯關(guān)系?？傊?上述傳統(tǒng)故障分析方法對(duì)系統(tǒng)故障的考察多基于底層設(shè)施之間的調(diào)用關(guān)系,其故障邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單且假設(shè)底層構(gòu)件獨(dú)立失效,無法描述業(yè)務(wù)故障間的相互影響關(guān)系;后續(xù)的動(dòng)態(tài)FTA (dynamic FTA, DFTA)對(duì)傳統(tǒng)故障樹進(jìn)行拓展,并可以支持表示組件之間的動(dòng)態(tài)依賴關(guān)系。動(dòng)態(tài)邏輯門允許對(duì)序列依賴關(guān)系(優(yōu)先與門,PAND)、功能依賴關(guān)系(功能相關(guān)門,FDEP)以及備用管理和分配(冷備件門,CSP)進(jìn)行建模。可以看到DFTA中動(dòng)態(tài)邏輯門已經(jīng)對(duì)構(gòu)件的功能邏輯以及順序邏輯作了相應(yīng)的考慮。但由于動(dòng)態(tài)邏輯門中僅對(duì)特定故障模式進(jìn)行描述,其故障模式中忽略了對(duì)抑制耦合的描述,因而動(dòng)態(tài)故障樹在應(yīng)用于存在抑制耦合的業(yè)務(wù)故障分析時(shí),同樣無法有效描述其故障邏輯。除此之外,自20世紀(jì) 60 年代以來,各界學(xué)者先后提出描述共因失效的模型與方法,如-因子模型、BP(basic parameter)模型、MGL(multiple greek letter)模型、-因子模型以及平方根模型。共因失效分析拓展了底層故障輸入的相關(guān)性,描述了由特定的單一事件引發(fā)若干個(gè)部件同時(shí)失效的情況,并通過共因失效組來對(duì)這種相關(guān)性進(jìn)行建模分析。但共因失效分析本質(zhì)上描述的是構(gòu)件間“一損俱損”的故障邏輯,而抑制耦合與之相反,是故障間“此消彼長(zhǎng)”的邏輯,因而共因失效也無法用于描述業(yè)務(wù)故障間的相互抑制關(guān)系。

綜上,5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)故障之間存在抑制耦合,以致同樣基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)故障受抑制耦合關(guān)系影響而更為復(fù)雜。但當(dāng)前的故障分析方法并不能對(duì)抑制耦合進(jìn)行有效的描述。當(dāng)前缺乏一種能夠有效分析抑制耦合關(guān)系影響下業(yè)務(wù)故障的方法。

針對(duì)上述問題,本文提出了考慮抑制耦合關(guān)系影響的5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)故障分析方法。其中的抑制耦合關(guān)系是指業(yè)務(wù)故障間的一類特殊的相互影響關(guān)系,體現(xiàn)了業(yè)務(wù)故障間此消彼長(zhǎng)、相互抑制的關(guān)聯(lián)關(guān)系,極大程度上影響著業(yè)務(wù)的運(yùn)行情況。我們把傳統(tǒng)故障分析方法無法描述的抑制耦合關(guān)系作為建模的重點(diǎn)。為此,我們首先明確了抑制耦合關(guān)系的含義、符號(hào)以及特征。進(jìn)一步在傳統(tǒng)故障樹的基礎(chǔ)上擴(kuò)充對(duì)抑制耦合關(guān)系的描述,提出了耦合FTA,并基于耦合FTA實(shí)現(xiàn)了對(duì)考慮抑制耦合關(guān)系影響的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)故障的分析研究。通過5G 輪胎吊(rubber-tyred container gantry crane, RTG)案例分析,驗(yàn)證了該方法在工程實(shí)際中的適用性。

1 抑制耦合關(guān)系分析

為了區(qū)別于傳統(tǒng)構(gòu)件故障,首先給出業(yè)務(wù)故障的定義如下:

業(yè)務(wù)故障為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層面上單個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)功能無法滿足用戶需求的狀態(tài)。相較于傳統(tǒng)故障,業(yè)務(wù)故障更加關(guān)注系統(tǒng)層面網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供的服務(wù)狀態(tài)變化,其不再發(fā)生在具體的某一構(gòu)件上,而是多構(gòu)件故障復(fù)雜動(dòng)態(tài)耦合產(chǎn)生的系統(tǒng)級(jí)故障。根據(jù)其故障所在業(yè)務(wù)層級(jí)的不同可以進(jìn)一步劃分為頂層業(yè)務(wù)故障、子業(yè)務(wù)故障、業(yè)務(wù)中間件故障以及葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障,這里描述的業(yè)務(wù)故障層次是逐層降低的。

進(jìn)一步給出業(yè)務(wù)故障間獨(dú)特的抑制耦合關(guān)系的定義。

抑制耦合關(guān)系是業(yè)務(wù)故障間的一種特定相互影響關(guān)系,由于業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的動(dòng)態(tài)調(diào)用而產(chǎn)生。表現(xiàn)為其中一個(gè)業(yè)務(wù)的故障狀態(tài)變化一定概率上會(huì)引起與其存在抑制耦合的業(yè)務(wù)的同步且異向的故障狀態(tài)變化。

業(yè)務(wù)故障由于其抑制耦合特征導(dǎo)致前一個(gè)子業(yè)務(wù)的完成好壞會(huì)一定程度地影響后一個(gè)子業(yè)務(wù)的完成,其原理類似于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中的“緊前”、“緊后”工序。本文中的抑制耦合關(guān)系表示方法如圖1所示。

圖1 抑制耦合關(guān)系符號(hào)

一個(gè)耦合關(guān)系包括如下元素:

(1) 一個(gè)觸發(fā)業(yè)務(wù)故障(可能是一個(gè)基礎(chǔ)事件或其他邏輯關(guān)系的輸出事件)；

(2) 一個(gè)或多個(gè)從屬業(yè)務(wù)故障；

(3) 一個(gè)從觸發(fā)業(yè)務(wù)故障指向從屬業(yè)務(wù)故障的連接。當(dāng)該連接為有向連接時(shí),其箭頭代表著抑制耦合的方向;當(dāng)該連接為無向連接時(shí),代表著抑制耦合關(guān)系沒有方向(即對(duì)耦合關(guān)系連接的兩個(gè)業(yè)務(wù)產(chǎn)生同步影響)。

從屬業(yè)務(wù)的故障在邏輯上依賴于觸發(fā)業(yè)務(wù)的故障,當(dāng)觸發(fā)業(yè)務(wù)發(fā)生故障時(shí),其故障將對(duì)從屬業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響,這種影響體現(xiàn)在從屬業(yè)務(wù)故障概率的變化上。

當(dāng)一個(gè)業(yè)務(wù)故障同時(shí)受多個(gè)耦合關(guān)系影響時(shí),它同時(shí)擔(dān)任了耦合關(guān)系中的觸發(fā)業(yè)務(wù)故障以及從屬業(yè)務(wù)故障,這時(shí)候我們稱之為中間業(yè)務(wù)故障，如圖2所示。

圖2 涉及中間業(yè)務(wù)故障的抑制耦合關(guān)系符號(hào)

2 耦合FTA

FTA是從故障角度出發(fā)研究系統(tǒng)與構(gòu)件之間故障關(guān)系的邏輯圖,是系統(tǒng)各層業(yè)務(wù)及其可靠性意義下連接關(guān)系的圖形表達(dá),表示各層業(yè)務(wù)的正?；蚴顟B(tài)對(duì)頂層業(yè)務(wù)狀態(tài)的影響。FTA依靠邏輯門和連線的布置,繪制出系統(tǒng)的特定部分發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出事件(通常為頂層業(yè)務(wù)故障)發(fā)生與否的影響,來顯示系統(tǒng)的失效邏輯,進(jìn)而分析系統(tǒng)中每一個(gè)成分的失效率對(duì)頂層業(yè)務(wù)的影響,以幫助評(píng)估頂層業(yè)務(wù)的可靠性。傳統(tǒng)FTA只考慮了以構(gòu)件故障及其映射為代表的構(gòu)件-單元-系統(tǒng)層面的分析,缺乏對(duì)同層事件間相互影響因素的考慮。然而,針對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),同層事件間的相互影響同樣也會(huì)導(dǎo)致頂事件故障概率的變化,也使得在分析系統(tǒng)可靠性時(shí)同樣需要對(duì)同層事件間的故障邏輯進(jìn)行分析。因此,我們?cè)趥鹘y(tǒng)的FTA的基礎(chǔ)上,將故障分析的對(duì)象由構(gòu)件(包括軟硬件)故障擴(kuò)展到調(diào)用系統(tǒng)功能的業(yè)務(wù)故障,而將傳統(tǒng)的構(gòu)件故障間的串并聯(lián)關(guān)系擴(kuò)展到業(yè)務(wù)故障間的映射關(guān)系,并提出基于耦合關(guān)系來分析同層業(yè)務(wù)間的故障邏輯。

耦合故障樹定義了系統(tǒng)中各故障(包括上下層以及同層故障)的邏輯交互,不僅能夠兼容傳統(tǒng)的FTA,同時(shí)可以彌補(bǔ)FTA只反映各個(gè)構(gòu)件故障之間的串并聯(lián)關(guān)系的不足,支持更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)間的故障關(guān)系,從而更完整和真實(shí)地幫助評(píng)估頂層業(yè)務(wù)對(duì)象的可靠與否。

2.1 耦合故障樹定義及符號(hào)

為了從可靠性的角度,更加直觀地表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)故障之間的相互關(guān)系及業(yè)務(wù)故障間的相互關(guān)系對(duì)業(yè)務(wù)可靠性的影響。我們?cè)趥鹘y(tǒng)的故障樹分析的基礎(chǔ)上,提出耦合故障樹的概念,將業(yè)務(wù)故障間的抑制耦合以規(guī)定的符號(hào)形式加載到故障樹上,用以描述同層故障間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而使得原本的故障邏輯由于抑制耦合關(guān)系的補(bǔ)充而得到進(jìn)一步拓展。

所涉及元素的基本定義如下:

事件:對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)及其子業(yè)務(wù)、中間件業(yè)務(wù)狀態(tài)的描述。包括業(yè)務(wù)正常(業(yè)務(wù)或子業(yè)務(wù)等能夠完成規(guī)定功能,從而滿足用戶需求)和業(yè)務(wù)故障(業(yè)務(wù)或子業(yè)務(wù)等不能完成規(guī)定功能,從而不能滿足用戶需求)。在耦合故障樹中,事件發(fā)生(故障),用邏輯值1表示;事件不發(fā)生(正常),用邏輯值0表示。

底事件:位于耦合故障樹最底層的事件,是某個(gè)邏輯門的輸入事件。

頂事件:位于耦合故障樹頂端的事件,即系統(tǒng)不希望發(fā)生的頂層業(yè)務(wù)故障。

邏輯門:描述上下層事件之間故障關(guān)系的邏輯符號(hào),包含例如“與門”、“或門”、“非門”等經(jīng)典FTA方法中的邏輯門。

耦合關(guān)系:描述同層事件間邏輯關(guān)系的邏輯符號(hào)。包含“單向抑制耦合”和“交互抑制耦合”兩種耦合關(guān)系，如表1所示。

表1 耦合故障樹中的新增符號(hào)

分析步驟如下：

分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。廣泛收集系統(tǒng)業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)運(yùn)行資料、業(yè)務(wù)流程圖、設(shè)備技術(shù)規(guī)范和描述系統(tǒng)有關(guān)狀態(tài)的技術(shù)數(shù)據(jù)。

選擇和確定頂事件。通常為頂層業(yè)務(wù)故障。

尋找引起頂事件發(fā)生的直接原因。通常為子業(yè)務(wù)故障,將頂事件作為輸出事件,將所有直接原因作為輸入事件,根據(jù)事件間的邏輯關(guān)系,用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T來連接輸入事件。

分析每一個(gè)與頂事件直接相聯(lián)系的輸入事件,即子業(yè)務(wù)故障,如果該事件還能進(jìn)一步分解為更下一層的子業(yè)務(wù)故障,則將其作為下一級(jí)的輸出事件(子模塊的頂事件)。

重復(fù)步驟4,逐級(jí)向下分解,直到所有的輸入事件不必再分解為止。此時(shí)可建立起針對(duì)頂事件的樹形結(jié)構(gòu)故障邏輯圖。

基于本文對(duì)抑制耦合關(guān)系的定義和分類,逐步分析步驟5中同層故障間的耦合關(guān)系。

當(dāng)所有層的抑制耦合關(guān)系都分析完成,將耦合關(guān)系符號(hào)加入FTA中,從而將樹狀的故障邏輯進(jìn)一步擴(kuò)充。

2.2 基于耦合故障樹的業(yè)務(wù)故障解析評(píng)估

2.2.1 同層的業(yè)務(wù)故障解析評(píng)估

本文采用結(jié)構(gòu)因果模型(structural causal model, SCM)來表達(dá)一個(gè)業(yè)務(wù)通過耦合關(guān)系對(duì)另外一個(gè)業(yè)務(wù)的影響,這種影響本身就是帶有因果性的。

(|=,do(=))

(1)

式中：是一組觀察到的已知變量;是觀測(cè)到的的值。綜上,一個(gè)SCM估計(jì)(|=,do(=))的方式為:完成對(duì)原有模型的介入do(=)之后,得到一個(gè)新的模型。隨后,在新的模型上估計(jì)由業(yè)務(wù)故障帶來的業(yè)務(wù)的故障概率。

基于業(yè)務(wù)故障間抑制耦合關(guān)系,將業(yè)務(wù)故障耦合關(guān)系的分析結(jié)果應(yīng)用于同層業(yè)務(wù)故障的分析過程中,具體在于:對(duì)于處在同一業(yè)務(wù)層次的某一業(yè)務(wù)故障概率,其數(shù)值上等于該業(yè)務(wù)先驗(yàn)故障概率與耦合關(guān)系影響下的故障概率的加總。例如,對(duì)業(yè)務(wù)而言,其受到耦合影響后的故障概率為

′(=1)=(1-)(=1)+∑(=1|=,=1)

(2)

式中：是耦合強(qiáng)度調(diào)和因子；=1表明與業(yè)務(wù)具有耦合關(guān)系的業(yè)務(wù)處于故障狀態(tài)。

222 上下層業(yè)務(wù)故障解析評(píng)估

對(duì)于特定業(yè)務(wù)系統(tǒng)而言,當(dāng)我們通過如上方法得到每一層的受耦合關(guān)系影響后的業(yè)務(wù)故障概率時(shí),我們采用布爾運(yùn)算來定義其不同層業(yè)務(wù)故障間的計(jì)算方式。

AND:所有子業(yè)務(wù)都發(fā)生故障,上層業(yè)務(wù)才發(fā)生故障。其布爾運(yùn)算表達(dá)式為

=∩∩…∩

(3)

OR:只要有一個(gè)子業(yè)務(wù)發(fā)生故障,上層業(yè)務(wù)就發(fā)生故障,其布爾表達(dá)式為

=∪∪…∪

(4)

因而,對(duì)于AND連接的上下層業(yè)務(wù)而言,其上層業(yè)務(wù)故障概率的計(jì)算方法如下:

(5)

對(duì)于OR連接的上下層業(yè)務(wù)而言,其上層業(yè)務(wù)故障概率的計(jì)算方法如下:

(6)

可以看到,相較于傳統(tǒng)FTA,基于耦合故障樹的業(yè)務(wù)故障分析方法存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

(1) 傳統(tǒng)FTA僅由上往下進(jìn)行演繹式失效分析,而本文所提的耦合故障樹不僅可以支持自上而下的失效分析,也可以支持對(duì)同層間的故障相互影響關(guān)系的分析和量化。

(2) 傳統(tǒng)FTA僅利用布林邏輯組合低階事件,分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)。因而傳統(tǒng)故障樹分析事故原因是強(qiáng)項(xiàng),但應(yīng)用于原因?qū)е率鹿拾l(fā)生的可能性推測(cè)是弱項(xiàng)。而本文所提的耦合故障樹則可以支持采用條件概率的組合及結(jié)構(gòu)因果模型來表達(dá)故障之間存在因果性的相互影響。這無疑更能夠較好地刻畫真實(shí)的故障因果邏輯。

(3) 傳統(tǒng)FTA往往是針對(duì)一個(gè)特定事故作分析,而不是針對(duì)一個(gè)過程或設(shè)備系統(tǒng)作分析,因此具有局部性。而本文所提耦合故障樹提出以“耦合關(guān)系”來描述同層部件之間的故障間相互影響,使得故障樹能夠支持復(fù)雜系統(tǒng)各同級(jí)部件之間的故障關(guān)聯(lián)關(guān)系的描述,并以“抑制耦合”為重點(diǎn)來完善其定義及計(jì)算。這一定程度上能夠支持故障樹方法在更頂層的系統(tǒng)級(jí)故障分析時(shí)的應(yīng)用。

3 案例分析

3.1 案例系統(tǒng)描述

為適應(yīng)自動(dòng)化碼頭的發(fā)展趨勢(shì),上海洋山港口進(jìn)行了RTG 5G 遠(yuǎn)控改造驗(yàn)證。通過在洋山冠東碼頭部署中國(guó)移動(dòng) 5G 虛擬園區(qū)網(wǎng),保證遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)的低時(shí)延、高可靠要求。經(jīng)過改造,目前主要在1 500 m的區(qū)域內(nèi)架設(shè)了3個(gè)5 G基站,來實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)約50臺(tái)RTG的自動(dòng)控制。平均每個(gè)操控人員能控制4～6臺(tái)RTG。一臺(tái)RTG配備2個(gè)并行工作的客戶端設(shè)備CPE,以及2個(gè)備份CPE,共4個(gè)。一臺(tái)RTG可能會(huì)負(fù)責(zé)多個(gè)堆場(chǎng)。從CPE到基站為一跳傳輸,即CPE直接連接基站。一個(gè)基站可以同時(shí)支持約3臺(tái)RTG的信號(hào)傳輸。

完整的基于5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的RTG遠(yuǎn)程操控業(yè)務(wù)中包含以下5個(gè)子業(yè)務(wù): 大車就位、小車空載、吊具抓箱、小車負(fù)載、吊具放箱。上述子業(yè)務(wù)都有著相似的業(yè)務(wù)調(diào)用流程,如圖3所示。其中，,,…,是采集終端，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)的收集，終端信號(hào)收集完成后，經(jīng)由編碼器編碼后通過CPE(此案例為CPE1/CPE2的備份冗余)連接到基站經(jīng)由5G骨干網(wǎng)、核心網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)端控制中心，經(jīng)由中心內(nèi)部交換機(jī)及解碼器處理后在控制臺(tái)終端進(jìn)行顯示，由操作人員根據(jù)視頻信號(hào)通過控制端可編程控制器(programmable logic controller, PLC)發(fā)出控制指令，控制指令同樣經(jīng)由解碼器、交換機(jī)后連接到5G網(wǎng)絡(luò)，通過基站間的信號(hào)傳輸最終到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)由CPE接收、解碼器解碼后傳達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端PLC進(jìn)行作業(yè)。

圖3 業(yè)務(wù)調(diào)用流程

在洋山港5G RTG應(yīng)用場(chǎng)景中,管道提供商首先需要論證5G RTG業(yè)務(wù)的可靠性。通過計(jì)算其業(yè)務(wù)故障概率,并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比來進(jìn)行分析。若業(yè)務(wù)故障概率小于標(biāo)準(zhǔn)值則可以認(rèn)為5G RTG滿足要求。而在故障概率的計(jì)算過程中,如何考慮并發(fā)多RTG業(yè)務(wù)間的相互影響關(guān)系成為重點(diǎn),也是其難點(diǎn)所在。

3.2 案例故障概率計(jì)算

我們以RTG業(yè)務(wù)故障為業(yè)務(wù)層頂事件,通過基于先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的迭代,逐層向下分析得到5個(gè)子業(yè)務(wù)故障、并以Sa1-1,Sa1-2,Sa1-3,Sa1-4,Sa1-5分別代表大車就位故障、小車空載故障、吊具抓箱故障、小車負(fù)載故障、吊具放箱故障。其中,由于5個(gè)子業(yè)務(wù)在業(yè)務(wù)邏輯上的相似性,分析大車就位子業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)故障邏輯,而對(duì)其他4個(gè)子業(yè)務(wù)故障不再做額外的分析。對(duì)于大車就位子業(yè)務(wù),我們繼續(xù)向下分解得到業(yè)務(wù)中間件故障。以Sa1-1大車就位子業(yè)務(wù)故障為例,對(duì)大車就位子業(yè)務(wù)中的視頻信號(hào)上傳和控制指令下傳兩個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析,得到Am2-1:Cloud Vision業(yè)務(wù)中間件故障(為5個(gè)子業(yè)務(wù)重復(fù)調(diào)用的一個(gè)具體的視頻信號(hào)上傳業(yè)務(wù)所對(duì)應(yīng)的故障);Am2-2:移動(dòng)控制業(yè)務(wù)中間件故障(為5個(gè)子業(yè)務(wù)重復(fù)調(diào)用的一個(gè)具體的控制指令下傳業(yè)務(wù)所對(duì)應(yīng)的故障)作為兩類典型中間件故障類型;同樣地,由于兩類業(yè)務(wù)中間件故障邏輯上的相似性,為了簡(jiǎn)化過程,這里對(duì)除了Am2-2之外的業(yè)務(wù)故障不再做額外的分析。

以Am2-2繼續(xù)向下分解得到如下7個(gè)葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障,包括 M1(控制臺(tái)故障)、M2(控制端PLC故障)、M3(編碼器故障)、M4(交換機(jī)故障)、M5(5G基站-CPE無線傳輸故障)、M6(解碼故障)、M7(設(shè)備端PLC故障)。

在對(duì)RTG業(yè)務(wù)故障分析分解完畢后,從定性的角度分析其業(yè)務(wù)故障間可能存在的抑制耦合關(guān)系。

(1) 對(duì)于葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障而言,由于M2和M7對(duì)應(yīng)的均為PLC設(shè)備,且PLC工作時(shí)會(huì)對(duì)周邊設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾,一定程度上會(huì)使得同一電箱內(nèi)的編碼器、解碼器的性能降級(jí)甚至功能失效。

(2) 對(duì)于業(yè)務(wù)中間件故障而言,雖然Am2-1、Am2-2對(duì)葉子級(jí)業(yè)務(wù)調(diào)用順序正好相反,但它們之間同樣存在對(duì)葉子級(jí)業(yè)務(wù)共同調(diào)用,這種對(duì)某類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件或網(wǎng)絡(luò)資源的共同調(diào)用關(guān)系,會(huì)帶來故障間的抑制耦合。

(3) 對(duì)于子業(yè)務(wù)故障而言,本案例中的Sa1-1、Sa1-2、Sa1-3、Sa1-4、Sa1-5之間具有明確的時(shí)間先后順序,即只有當(dāng)?shù)谝徊酱筌嚲臀徽Ｖ?才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行小車空載等子業(yè)務(wù)。因此，對(duì)于單RTG業(yè)務(wù)場(chǎng)景而言,其對(duì)應(yīng)的子業(yè)務(wù)故障由于時(shí)序關(guān)系并不直接存在抑制耦合關(guān)系;而對(duì)于多RTG業(yè)務(wù)場(chǎng)景而言,由于不同的RTG在作業(yè)時(shí)并不完全同步,因而其對(duì)子業(yè)務(wù)的調(diào)用順序并不具有明確的時(shí)序關(guān)系。特定時(shí)刻下,這些子業(yè)務(wù)故障間可能會(huì)存在抑制耦合關(guān)系。

假設(shè)在分析業(yè)務(wù)層的故障邏輯之前,已經(jīng)獲取到了包括M1～M7在內(nèi)的7個(gè)葉子級(jí)業(yè)務(wù)的獨(dú)立故障概率, 如表2所示。

表2 葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障概率

基于前期RTG業(yè)務(wù)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)的積累,可以給出部分業(yè)務(wù)故障發(fā)生的CPT條件概率分布表,表3僅列舉了條件概率與初始概率不同的情形,對(duì)于未在此列出的條件概率,其條件概率與初始概率均相同。

表3 條件概率表

應(yīng)用本文中的同層業(yè)務(wù)故障分析,結(jié)合初始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來分析業(yè)務(wù)故障間是否存在抑制耦合關(guān)系,得到其耦合故障樹,如圖4所示。其中層次1為業(yè)務(wù)層頂事件故障，層次2為子業(yè)務(wù)故障，層次3為業(yè)務(wù)中間件故障，層次4為葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障。

圖4 5G RTG 耦合故障樹

按照本文提出的方法逐一計(jì)算由抑制耦合關(guān)系帶來的故障概率的變化。以存在抑制耦合的M2～M4為例。由后門準(zhǔn)則的定義可知,圖4中路徑集合均滿足SCM中的后門準(zhǔn)則,因而

(=1|do(=1))=(=1|=1)=0006

(7)

此時(shí),M3受抑制耦合關(guān)系影響后的故障概率為

′(=1)=(1-)(=1)+(=1|do(=1))=09×001+01×0006=0009 6

(8)

式中:取值在[0,1],這里取=01。同理,可根據(jù)故障樹邏輯逐層向上計(jì)算,最終得到頂層RTG業(yè)務(wù)故障發(fā)生概率。

(9)

3.3 影響規(guī)律分析

(1) 與不考慮抑制耦合影響所得到的故障概率相比,考慮抑制耦合的頂事件發(fā)生概率的相對(duì)誤差為

(10)

由計(jì)算結(jié)果可以看出,對(duì)于5G RTG 遠(yuǎn)程控制這種可靠性和安全性至關(guān)重要的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來說,若不考慮抑制耦合的影響,則得到的故障分析結(jié)果誤差顯著。這說明抑制耦合對(duì)RTG業(yè)務(wù)故障的發(fā)生具有顯著的影響,如果在5G RTG遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)行中不考慮這種影響,將會(huì)誤判事故發(fā)生的概率,從而造成經(jīng)濟(jì)上和安全上的損失。

(2) 通過選取不同的耦合強(qiáng)度調(diào)和因子的值,來比較其故障概率變化情況。

在不同的耦合強(qiáng)度因子下,5G RTG業(yè)務(wù)故障概率的取值會(huì)隨之發(fā)生變化,該概率對(duì)于衡量5G RTG業(yè)務(wù)可靠與否具有重要價(jià)值。這一部分進(jìn)一步通過仿真研究了不同耦合強(qiáng)度調(diào)和因子與5G RTG業(yè)務(wù)故障發(fā)生概率的取值間的關(guān)系。

基于當(dāng)前案例中的耦合RTA結(jié)果,底層葉子級(jí)業(yè)務(wù)故障的發(fā)生概率不變,其耦合強(qiáng)度調(diào)和因子由0變化到1時(shí),對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響如圖5所示。

圖5 耦合強(qiáng)度調(diào)和因子影響

可以看到,隨著耦合強(qiáng)度調(diào)和因子的增大,從屬業(yè)務(wù)故障的概率越發(fā)受到抑制耦合的影響,從而導(dǎo)致RTG業(yè)務(wù)故障的概率不斷減小。即對(duì)于特定業(yè)務(wù)而言,隨著耦合強(qiáng)度調(diào)和因子的增加,故障間的抑制耦合關(guān)系在一定程度上反而會(huì)使得業(yè)務(wù)的不可靠度降低。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)對(duì)頻譜資源、底層物理資源等的靈活重用使得其業(yè)務(wù)故障邏輯中不可避免地出現(xiàn)大量的抑制耦合(源于業(yè)務(wù)對(duì)公共資源的排他式調(diào)用)。耦合關(guān)系的出現(xiàn)使得業(yè)務(wù)故障機(jī)理更為復(fù)雜,從而極大程度上影響業(yè)務(wù)的交付質(zhì)量。當(dāng)前尚無能夠直接針對(duì)這種5G業(yè)務(wù)及其故障間耦合關(guān)系進(jìn)行分析和評(píng)估的方法。

為了量化這種抑制耦合關(guān)系對(duì)業(yè)務(wù)故障的影響,本文給出了對(duì)抑制耦合關(guān)系的符號(hào)化描述和定性分析,并在傳統(tǒng)FTA的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)同層業(yè)務(wù)故障間抑制耦合關(guān)系的考慮,進(jìn)一步提出了耦合故障樹,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)抑制耦合關(guān)系影響下的業(yè)務(wù)故障的定量計(jì)算。通過對(duì)5G RTG案例的影響規(guī)律分析,證明了抑制耦合關(guān)系對(duì)業(yè)務(wù)故障的發(fā)生與否具有顯著影響:與不考慮抑制耦合關(guān)系相比,考慮抑制耦合關(guān)系的頂事件發(fā)生概率要減少6.31%。同時(shí)進(jìn)一步分析了在不同耦合強(qiáng)度調(diào)和因子影響下的業(yè)務(wù)故障概率。證明了本方法在完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)故障分析的同時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同層業(yè)務(wù)故障耦合關(guān)系的描述,進(jìn)而將傳統(tǒng)的樹狀故障結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)充。通過量化分析業(yè)務(wù)故障間的抑制耦合關(guān)系,能夠促進(jìn)對(duì)故障發(fā)生的成因和故障之間的相互影響關(guān)系的深入研究。進(jìn)一步為后續(xù)通信網(wǎng)絡(luò)乃至其他基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。