考虑拓扑依赖的缆系水下网络维修策略分析∗

樊 诚 周学军 陈 津

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

在缆系水下网络中岸站与多个水下节点之间使用光电复合缆连接，与锚系浮标海洋观测网络相比，能提供更持久的水下工作能力［1］。缆系水下网络的预期使用寿命一般为25年［2］，需要采取合适的维修措施才能使网络以较高的可用性实现长时间的运行。

缆系水下网络中包含多个节点是一类多部件系统，当对系统进行维修时，多个部件之间存在结构和经济依赖关系。在具有依赖性的多部件维修策略分析方面，Iung等［3～4］研究了具有经济依赖的多部件系统维修优化方法，Dao等［5～6］认为设备每次维修拆解会造成多部件不同程度的性能劣化，研究了具有串联结构依赖的多部件系统维修优化方法。在海底观测网的可靠性研究方面，张涛等［7］主要聚焦设备在海下环境的耐受性问题，吕枫等［8］从系统层面分析了供电系统的可靠性。上述文献所研究的维修策略优化方法一般基于经典的串、并联结构，而对于复杂网络拓扑结构方面少有涉及，也没有从系统层面分析网络的维修性。然而，缆系水下网络建设周期长，投入大，是一个复杂的系统工程，从系统层面对其维修性进行规划和设计是十分必要的。

本文首先提出了一种缆系水下网络的结构设计方案，定义了考虑节点拓扑结构依赖性的系统维修决策指标，给出了适用于缆系水下网络的维修策略类型；其次，提出了维修策略的仿真分析方法，并详细分析了影响维修指标的主要因素。

2 缆系水下网络系统结构

缆系水下网络典型结构如图1所示，水下观测节点之间通过光电复合缆连接。由于海缆故障主要是人为原因造成的短路故障［9］，因此，供电子系统采用能较好抵抗短路接地故障的恒流组网输电技术，该技术的核心部件为电能分支单元，由多个恒流分支器串联而成，具体技术分析可参考文献［10～13］。

通信子系统则采用成熟的陆地城域网组网技术，以两个水下监测设备，采用MSTP设备实现主接驳盒网络通信功能为例，连接方式如图2所示。主接驳盒中的MSTP设备采用24伏直流供电，实现1：1保护；可以对外提供4路STM-1/STM-4光接口；具备完善的保护机制，支持二纤双向复用段保护环、链路复用段1+1和1：1保护。次接驳盒中的光猫设备负责光电信号的转换，该设备可提供一个无源光接入系统（Gigabit-capable Passive Optical Network，GPON）端口以及一个10/100/1000M自适应以太网接口。协议转换设备将GPON终端输出的以太网协议转换为水下监测设备所需的协议类型（如RS485等）。

图2 水下节点中的传输接入设备

综上，每个水下节点由主接驳盒和次接驳盒串联而成，因此，可以归纳出水下节点的可靠性框图，如图3所示。其中，供电设备指恒流转恒压电路，通常采用以稳压二极管为核心的电路实现；主接驳盒中采用了双备份保护机制，因此，MSTP设备之间是并联关系；OE指光电信号转换设备，PT指协议转换设备。

图3 节点可靠性框图

3 假设与定义

3.1 假设

1）采用换件维修，维修后设备“修复如新”，备件数量充足，修理组数量为1。

2）维修准备时长为常数，不考虑海上维修作业受天气影响，而导致的维修任务延迟。

3）设备故障统计独立；岸站和海缆不发生故障，且水下设备的故障检测是完备的。

4）设备工作寿命服从指数分布，失效率为常数。

3.2 定义

1）节点失效：节点与岸站无法连通；

2）节点故障：节点因内部设备故障而导致的失效；

3）设备故障：设备发生损坏而无法继续工作；

4）被动维修策略：当发生水下节点级别故障时，开展维修活动恢复其功能；

5）主动维修策略：当发生水下设备级别故障时，开展维修活动恢复其功能；

6）定期维修策略：在预定时刻开展维修活动，并对预定维修时刻前所发生的设备级别故障也开展维修活动。

4 维修策略仿真模型

4.1 维修指标估计

采用蒙特卡洛仿真的方法，通过对大量任务时长内设备故障轨迹的仿真模拟，结合缆系水下网络运行过程中设备以及节点之间的结构依赖性，可以实现对指标的有效估计。

4.2 被动维修策略模型

采用被动维修策略时，网络从初始时刻开始正常运行，当发生节点级别失效时，启动维修任务。以图4为例，在tf1时刻，节点1发生故障，在tr时刻，完成对节点1的维修任务，同时修复节点2中导致节点失效的故障设备，修复节点3以及节点4中发生故障的冗余设备。显然，该维修策略可最大化的利用产品的工作寿命，出海维修次数较少，维修费用较低，但是，由于属于非计划维修，当受到阻碍而不能及时执行维修任务时，会增加网络出现大面积监测盲区的风险。该维修策略模型的仿真求解流程图如图5所示。

图4 被动维修策略示意图

图5 被动维修策略仿真流程图

故障诊断子程序负责将缆系水下网络的拓扑结构引入仿真模型，当对设备故障遍历完毕后，根据图3所示的节点可靠性框图以及节点的拓扑相关失效分析，对节点状态进行判定。

4.3 主动维修策略模型

采用主动维修策略时，网络从初始状态开始工作，当发生水下设备级别故障时，启动维修任务，若完成设备级别故障修复前发生节点级别故障，则一同维修。该维修策略通过增加维修频次能确保系统可用度的最大化，如图6所示，由于维修行为往往在未发生节点级别故障前启动，可以减少节点的失效时间，但是，该维修策略出海维修次数较多，消耗的维修资源也较多。

图6 主动维修策略示意图

4.4 定期维修策略模型

如图7所示，当采用定期维修策略时，网络从初始状态开始运行，以τ为定期维修间隔对水下故障设备进行更换，当发生节点级别失效时，亦启动维修任务。该维修策略费用率以及系统可用度与τ密切相关。

5 仿真分析

仿真环境设置如下：供电设备失效率为1.5×10-6/h，MSTP失效率为，光电信号转换设备失效率为3×10-7/h，协议转换设备失效率为3×10-7/h；供电设备1万元/台，MSTP设备价格0.2万元/台，光电转换设备以及协议转换设备共计0.05万元/台，出海维修费用10万元/次；维修时长30天，total=105，τ=1年，T=25年。

1）维修策略影响比较

表1中对于三种维修策略的仿真结果显示：通过采取维修措施能够使网络在25年内维持较高的系统可用度；采用主动维修策略时系统可用度最高，节点累计失效时长仅53.4天，但由于出海维修次数较多（约为被动维修策略的5倍），相应的费用率也最高；被动维修策略的费用率最低，但是节点累计失效时长达到了1520.4天；定期维修策略由于维修任务量可控，其费用率以及系统可用度均位于两种策略之间。

表1 维修策略影响

在实际应用中，可以根据网络执行任务的需求来选择适合的维修策略，此外，MSTP设备由于失效率最高，因此被维修更换的次数也最多，说明水下节点的失效主要是由MSTP设备失效造成的。

2）维修次数分布

图8是当任务时长为25年时，维修策略对每年平均维修次数的影响，定期维修策略的维修次数介于被动维修与主动维修策略之间。每年的维修次数分布比较均匀，说明通过对缆系水下网络进行维修，水下节点发生失效的风险得到了较好的控制。

图8 维修次数分布

3）节点平均失效时长分布

图9是维修策略对各节点累计失效时长影响的对比。仿真结果表明，节点（2、3、6、7、10、11）的失效时长明显大于其它节点的失效时长。这是因为，位于网络拓扑中间位置的节点更容易受其它节点失效的影响而失效；其次，节点1、4的失效时长<节点5、8<节点9、12，表明距离岸站节点越近失效可能性越小；以上仿真结果表明，仿真模型能够体现节点之间的拓扑依赖性关系。

图9 节点平均失效时长分布

6 结语

本文采用仿真的方法研究了缆系水下网络维修策略对维修指标的影响，给出了缆系水下网络的系统可用度等决策指标的定义，将节点之间的拓扑结构依赖关系引入维修策略仿真模型中。仿真结果表明：通过采取维修措施可以实现较高的系统可用度，验证了维修策略对提升系统可用度的有效性；处于网络拓扑中心位置且离岸站节点较远的节点失效可能性较大；通过采取维修措施可以使节点的失效风险均一化，避免出现大面积突发性故障。