考慮拓撲依賴的纜系水下網(wǎng)絡(luò)維修策略分析?

樊 誠 周學(xué)軍 陳 津

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

在纜系水下網(wǎng)絡(luò)中岸站與多個水下節(jié)點之間使用光電復(fù)合纜連接，與錨系浮標海洋觀測網(wǎng)絡(luò)相比，能提供更持久的水下工作能力［1］。纜系水下網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期使用壽命一般為25年［2］，需要采取合適的維修措施才能使網(wǎng)絡(luò)以較高的可用性實現(xiàn)長時間的運行。

纜系水下網(wǎng)絡(luò)中包含多個節(jié)點是一類多部件系統(tǒng)，當(dāng)對系統(tǒng)進行維修時，多個部件之間存在結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟依賴關(guān)系。在具有依賴性的多部件維修策略分析方面，Iung等［3～4］研究了具有經(jīng)濟依賴的多部件系統(tǒng)維修優(yōu)化方法，Dao等［5～6］認為設(shè)備每次維修拆解會造成多部件不同程度的性能劣化，研究了具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)依賴的多部件系統(tǒng)維修優(yōu)化方法。在海底觀測網(wǎng)的可靠性研究方面，張濤等［7］主要聚焦設(shè)備在海下環(huán)境的耐受性問題，呂楓等［8］從系統(tǒng)層面分析了供電系統(tǒng)的可靠性。上述文獻所研究的維修策略優(yōu)化方法一般基于經(jīng)典的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面少有涉及，也沒有從系統(tǒng)層面分析網(wǎng)絡(luò)的維修性。然而，纜系水下網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長，投入大，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從系統(tǒng)層面對其維修性進行規(guī)劃和設(shè)計是十分必要的。

本文首先提出了一種纜系水下網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，定義了考慮節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)依賴性的系統(tǒng)維修決策指標，給出了適用于纜系水下網(wǎng)絡(luò)的維修策略類型；其次，提出了維修策略的仿真分析方法，并詳細分析了影響維修指標的主要因素。

2 纜系水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

纜系水下網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，水下觀測節(jié)點之間通過光電復(fù)合纜連接。由于海纜故障主要是人為原因造成的短路故障［9］，因此，供電子系統(tǒng)采用能較好抵抗短路接地故障的恒流組網(wǎng)輸電技術(shù)，該技術(shù)的核心部件為電能分支單元，由多個恒流分支器串聯(lián)而成，具體技術(shù)分析可參考文獻［10～13］。

通信子系統(tǒng)則采用成熟的陸地城域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，以兩個水下監(jiān)測設(shè)備，采用MSTP設(shè)備實現(xiàn)主接駁盒網(wǎng)絡(luò)通信功能為例，連接方式如圖2所示。主接駁盒中的MSTP設(shè)備采用24伏直流供電，實現(xiàn)1：1保護；可以對外提供4路STM-1/STM-4光接口；具備完善的保護機制，支持二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)、鏈路復(fù)用段1+1和1：1保護。次接駁盒中的光貓設(shè)備負責(zé)光電信號的轉(zhuǎn)換，該設(shè)備可提供一個無源光接入系統(tǒng)（Gigabit-capable Passive Optical Network，GPON）端口以及一個10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備將GPON終端輸出的以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為水下監(jiān)測設(shè)備所需的協(xié)議類型（如RS485等）。

圖2 水下節(jié)點中的傳輸接入設(shè)備

綜上，每個水下節(jié)點由主接駁盒和次接駁盒串聯(lián)而成，因此，可以歸納出水下節(jié)點的可靠性框圖，如圖3所示。其中，供電設(shè)備指恒流轉(zhuǎn)恒壓電路，通常采用以穩(wěn)壓二極管為核心的電路實現(xiàn)；主接駁盒中采用了雙備份保護機制，因此，MSTP設(shè)備之間是并聯(lián)關(guān)系；OE指光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備，PT指協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。

圖3 節(jié)點可靠性框圖

3 假設(shè)與定義

3.1 假設(shè)

1）采用換件維修，維修后設(shè)備“修復(fù)如新”，備件數(shù)量充足，修理組數(shù)量為1。

2）維修準備時長為常數(shù)，不考慮海上維修作業(yè)受天氣影響，而導(dǎo)致的維修任務(wù)延遲。

3）設(shè)備故障統(tǒng)計獨立；岸站和海纜不發(fā)生故障，且水下設(shè)備的故障檢測是完備的。

4）設(shè)備工作壽命服從指數(shù)分布，失效率為常數(shù)。

3.2 定義

1）節(jié)點失效：節(jié)點與岸站無法連通；

2）節(jié)點故障：節(jié)點因內(nèi)部設(shè)備故障而導(dǎo)致的失效；

3）設(shè)備故障：設(shè)備發(fā)生損壞而無法繼續(xù)工作；

4）被動維修策略：當(dāng)發(fā)生水下節(jié)點級別故障時，開展維修活動恢復(fù)其功能；

5）主動維修策略：當(dāng)發(fā)生水下設(shè)備級別故障時，開展維修活動恢復(fù)其功能；

6）定期維修策略：在預(yù)定時刻開展維修活動，并對預(yù)定維修時刻前所發(fā)生的設(shè)備級別故障也開展維修活動。

4 維修策略仿真模型

4.1 維修指標估計

采用蒙特卡洛仿真的方法，通過對大量任務(wù)時長內(nèi)設(shè)備故障軌跡的仿真模擬，結(jié)合纜系水下網(wǎng)絡(luò)運行過程中設(shè)備以及節(jié)點之間的結(jié)構(gòu)依賴性，可以實現(xiàn)對指標的有效估計。

4.2 被動維修策略模型

采用被動維修策略時，網(wǎng)絡(luò)從初始時刻開始正常運行，當(dāng)發(fā)生節(jié)點級別失效時，啟動維修任務(wù)。以圖4為例，在tf1時刻，節(jié)點1發(fā)生故障，在tr時刻，完成對節(jié)點1的維修任務(wù)，同時修復(fù)節(jié)點2中導(dǎo)致節(jié)點失效的故障設(shè)備，修復(fù)節(jié)點3以及節(jié)點4中發(fā)生故障的冗余設(shè)備。顯然，該維修策略可最大化的利用產(chǎn)品的工作壽命，出海維修次數(shù)較少，維修費用較低，但是，由于屬于非計劃維修，當(dāng)受到阻礙而不能及時執(zhí)行維修任務(wù)時，會增加網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大面積監(jiān)測盲區(qū)的風(fēng)險。該維修策略模型的仿真求解流程圖如圖5所示。

圖4 被動維修策略示意圖

圖5 被動維修策略仿真流程圖

故障診斷子程序負責(zé)將纜系水下網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)引入仿真模型，當(dāng)對設(shè)備故障遍歷完畢后，根據(jù)圖3所示的節(jié)點可靠性框圖以及節(jié)點的拓撲相關(guān)失效分析，對節(jié)點狀態(tài)進行判定。

4.3 主動維修策略模型

采用主動維修策略時，網(wǎng)絡(luò)從初始狀態(tài)開始工作，當(dāng)發(fā)生水下設(shè)備級別故障時，啟動維修任務(wù)，若完成設(shè)備級別故障修復(fù)前發(fā)生節(jié)點級別故障，則一同維修。該維修策略通過增加維修頻次能確保系統(tǒng)可用度的最大化，如圖6所示，由于維修行為往往在未發(fā)生節(jié)點級別故障前啟動，可以減少節(jié)點的失效時間，但是，該維修策略出海維修次數(shù)較多，消耗的維修資源也較多。

圖6 主動維修策略示意圖

4.4 定期維修策略模型

如圖7所示，當(dāng)采用定期維修策略時，網(wǎng)絡(luò)從初始狀態(tài)開始運行，以τ為定期維修間隔對水下故障設(shè)備進行更換，當(dāng)發(fā)生節(jié)點級別失效時，亦啟動維修任務(wù)。該維修策略費用率以及系統(tǒng)可用度與τ密切相關(guān)。

5 仿真分析

仿真環(huán)境設(shè)置如下：供電設(shè)備失效率為1.5×10-6/h，MSTP失效率為，光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備失效率為3×10-7/h，協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備失效率為3×10-7/h；供電設(shè)備1萬元/臺，MSTP設(shè)備價格0.2萬元/臺，光電轉(zhuǎn)換設(shè)備以及協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備共計0.05萬元/臺，出海維修費用10萬元/次；維修時長30天，total=105，τ=1年，T=25年。

1）維修策略影響比較

表1中對于三種維修策略的仿真結(jié)果顯示：通過采取維修措施能夠使網(wǎng)絡(luò)在25年內(nèi)維持較高的系統(tǒng)可用度；采用主動維修策略時系統(tǒng)可用度最高，節(jié)點累計失效時長僅53.4天，但由于出海維修次數(shù)較多（約為被動維修策略的5倍），相應(yīng)的費用率也最高；被動維修策略的費用率最低，但是節(jié)點累計失效時長達到了1520.4天；定期維修策略由于維修任務(wù)量可控，其費用率以及系統(tǒng)可用度均位于兩種策略之間。

表1 維修策略影響

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)的需求來選擇適合的維修策略，此外，MSTP設(shè)備由于失效率最高，因此被維修更換的次數(shù)也最多，說明水下節(jié)點的失效主要是由MSTP設(shè)備失效造成的。

2）維修次數(shù)分布

圖8是當(dāng)任務(wù)時長為25年時，維修策略對每年平均維修次數(shù)的影響，定期維修策略的維修次數(shù)介于被動維修與主動維修策略之間。每年的維修次數(shù)分布比較均勻，說明通過對纜系水下網(wǎng)絡(luò)進行維修，水下節(jié)點發(fā)生失效的風(fēng)險得到了較好的控制。

圖8 維修次數(shù)分布

3）節(jié)點平均失效時長分布

圖9是維修策略對各節(jié)點累計失效時長影響的對比。仿真結(jié)果表明，節(jié)點（2、3、6、7、10、11）的失效時長明顯大于其它節(jié)點的失效時長。這是因為，位于網(wǎng)絡(luò)拓撲中間位置的節(jié)點更容易受其它節(jié)點失效的影響而失效；其次，節(jié)點1、4的失效時長<節(jié)點5、8<節(jié)點9、12，表明距離岸站節(jié)點越近失效可能性越小；以上仿真結(jié)果表明，仿真模型能夠體現(xiàn)節(jié)點之間的拓撲依賴性關(guān)系。

圖9 節(jié)點平均失效時長分布

6 結(jié)語

本文采用仿真的方法研究了纜系水下網(wǎng)絡(luò)維修策略對維修指標的影響，給出了纜系水下網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可用度等決策指標的定義，將節(jié)點之間的拓撲結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系引入維修策略仿真模型中。仿真結(jié)果表明：通過采取維修措施可以實現(xiàn)較高的系統(tǒng)可用度，驗證了維修策略對提升系統(tǒng)可用度的有效性；處于網(wǎng)絡(luò)拓撲中心位置且離岸站節(jié)點較遠的節(jié)點失效可能性較大；通過采取維修措施可以使節(jié)點的失效風(fēng)險均一化，避免出現(xiàn)大面積突發(fā)性故障。