分布式切換技術對時統可靠性的影響?

韓健，劉崇偉（解放軍63999部隊，北京100094）

分布式切換技術對時統可靠性的影響?

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對時統可靠性的影響，在給出集中式切換時統和分布式切換時統的結構組成和信號流程的基礎上，建立了兩種切換技術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。結果表明，分布式切換技術對時統頻率信號和時碼信號可靠性的提高均超過40%，能夠為時統可靠性設計提供參考依據。

時統；分布式切換；可靠性模型；失效率

1 引言

時統是由導彈、航天試驗等長距離或超長距離測量和控制的需求而發展起來的一門工程學科，目前已廣泛應用于導航、測控、通信、交通等領域。時統向用戶設備提供高精確度、高穩定度的標準時間和頻率信號，以實現整個系統時間和頻率的統一［1］。可靠性是時統最為重要的技術指標之一，因此在時統的設計和研制過程中必須進行可靠性管理［2＼?。在傳統的時統結構設計中一般采用集中式切換技術，然而集中式切換會導致切換器成為系統可靠性的瓶頸。分布式技術由于采用故障分散原則，在原理上能夠提高系統可靠性［3］。國內學者對分布式技術進行了較深入的研究，但對分布式切換技術及其在時統設備中的應用和影響研究較少。本文采用可靠性工程理論對分布式切換技術在時統中的應用效果進行分析。

2 時統中的分布式切換技術

2.1 集中式切換的時統結構

時統設備主體由頻率標準單元、定時單元、時碼產生單元和區放輸出單元組成［1］。為了提高系統可靠性，一般關鍵單元采用冗余備份設計。本文對冗余情況設定如下：

（1）頻率標準單元采用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）時碼產生單元采用2個時碼產生器冗余；

（4）區放輸出單元采用2路輸出為同一用戶提供信號冗余。

對于冗余備份設計，多路輸入需要進行選擇切換，因此系統設計中需要增加切換器。在傳統時統設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，其結構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生故障則整個系統故障，因此切換器成為系統可靠性的瓶頸。

2.2 分布式切換的時統結構

分布式技術就是在網絡計算平臺上開發、部署、管理和維護，以資源共享和協同工作為主要目標的分布式應用系統，分布式系統具有資源共享、開放性、并發性、容錯性和透明性等特征。目前分布式技術已經突破計算機領域，在工業控制、發電系統、信息監測等諸多領域獲得了廣泛應用［4-5］。將分布式技術應用于冗余切換方面即為分布式切換技術。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，從而提高時統可靠性。為了降低時碼產生器之前定時切換和頻標切換的復雜度，本文采用的方法是將頻標與時碼產生器“綁定”，即將頻標和時碼產生器一一對應關系固定，則減少了頻標切換過程。

按照上述設計，時統的結構組成和信號流程如圖2所示。由圖可見分布式切換技術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量。

3 可靠性計算分析

3.1 可靠性模型

分布式切換技術在原理上能夠提高系統的可靠性，但還需要定量的計算驗證。本文根據集中式切換和分布式切換兩種系統結構的信號流程建立系統的可靠性模型，進行可靠性的計算和對比。通過分析可知，在集中式切換時統結構可靠性模型中包含了熱儲備系統、表決系統和并聯系統。其中2個定時參考源為熱儲備系統；2個頻標為熱儲備系統；2個時碼產生器為熱儲備系統；定時單元和頻標單元既為串聯系統又為表決系統；表決系統和時碼產生器為串聯系統；2個頻率信號輸出和2個時碼信號輸出均為并聯系統。由分析可知，上述表決系統為特殊情形的2／2（G）系統，即定時單元和頻標單元均正常時表決系統正常，該系統等價于2個單元的串聯系統，又由于定時單元和頻標單元本身為串聯系統，因此表決系統可以忽略。則集中式切換時統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。由于可靠性模型比較復雜，將頻率信號和時碼信號單獨分析。在分布式切換頻率信號可靠性模型中包含并聯系統、串聯系統和熱儲備系統。其中2個定時參考源為熱儲備系統；定時參考源切換后和頻標為串聯系統；2個頻標為熱儲備系統；頻標切換后和頻率信號輸出為串聯系統；2個頻率信號輸出為并聯系統。分布式切換時統結構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。在分布式切換時碼信號可靠性模型中包含并聯系統、串聯系統、熱儲備系統和表決系統，并聯、串聯和熱儲備與頻率信號基本相同，不同的是定時單元和頻標既為串聯又為表決系統。表決系統也為特殊情形的2／2（G）系統，即定時單元和頻標均正常時表決系統正常，該系統等價于2個單元的串聯系統，又由于定時單元和頻標本身為串聯系統，因此表決系統可以忽略，即為定時單元、頻標與時碼產生器形成串聯系統，分布式切換時統結構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構不同信號的可靠性，首先設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。電子期間的壽命一般服從指數分布，可靠性設定如下：2個定時參考源的失效率均為λ1，定時切換失效率為λ2，2個頻標的失效率均為λ3，頻標切換器的失效率為λ4，時碼產生器的失效率為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。根據時統不同單元的設計和工藝復雜程度、設備研制場所采用的可靠性分配方案和工程應用中的數據統計，本文對不同單元的失效率大小關系設定如下：

按照可靠性模型中的串聯系統、并聯系統和兩單元熱儲備系統的系統可靠性計算方法進行計算［6］，集中式切換時統結構的頻率信號和時碼信號的系統失效率λtf和λtt由下式計算。

分布式切換時統結構的頻率信號和時碼信號的系統失效率λdf和λdt計算如下。

將兩種時統結構的頻率信號和時碼信號系統失效率作比較，即

可見分布式切換技術降低了時統的系統失效率，即提高了系統可靠性。將兩種時統結構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定，分布式切換技術對時統的頻率信號系統可靠性提高了43%，對時統的時碼信號系統可靠性提高了47%，提高程度均大于40%。

4 結束語

本文對分布式技術應用于時統冗余切換領域對時統可靠性的影響進行了分析，可以得出如下結論：分布式切換技術能夠有效提高時統可靠性，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量的切換器。研究結論能夠為時統可靠性的設計提供一定的參考依據。另外，本文的計算結果基于對時統不同單元失效率關系的一定假設，對于其他的時統結構和不同的系統失效率，分布式切換技術對可靠性的提高程度有所不同。

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［6］周正伐.可靠性工程基礎［M］.北京：中國宇航出版社，2009. ZHOU Zheng-fa.Reliability Engineering Foundation［M］. Beijing：China Astronautics Press，2009.（in Chinese）

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年獲學士學位，現為高級工程師，主要研究方向為軍事航天通信技術。

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

韓健（1980—），男，江蘇徐州人，2006獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為時間頻率技術；

1001-893X（2012）02-0255-04

2011-11-16；

2011-12-27