2. Обеспечение надежности на всех этапах жизненного цикла объекта

Вопросам обеспечения надежности ИС уделяется внимание на всех этапах жизненного цикла изделия - при проектировании, производстве, эксплуатации и ремонте. Ни одно техническое изделие нельзя считать удовлетворительным, как бы хорошо оно не выглядело в замыслах специалистов, если оно не прошло проверки по критерию надежности. Планирование уровня надежности и реализация этих планов в технических решениях и технической документации происходит при проектировании, происходящем в несколько стадий.

При разработке технического задания выбирают и обосновывают номенклатуру показателей надежности, подлежащих в дальнейшем обеспечению, оценке и подтверждению, устанавливают нормы надежности и объемы испытаний на различных стадиях разработки.

При разработке технического предложения и эскизного проекта определяют требования к надежности комплектующих изделий, исходя из требований к надежности изделия. Разрабатывают рекомендации по нормам электрических, климатических и механических нагрузок на элементы изделия.

При техническом проектировании особое внимание уделяют рациональной компоновке оборудования, которая должна обеспечить требуемые климатические и механические режимы работы элементов, упростить работу обслуживающего персонала по техническому обслуживанию и подготовке системы к работе. Оцениваются показатели ремонтопригодности с учетом особенностей конструкции, системы контроля работоспособности и диагностирования. При необходимости создают макеты и проводят их испытания, по результатам которых корректируются функционально-конструкторское решение изделия.

На этапе производства важным фактором обеспечения надежности являются точное соблюдение технологического процесса, контроль качества выполнения всех операций, автоматизация производственных процессов, обеспечивающая поддержание высокой стабильности технологических процессов. Внедрение международных стандартов серии ISO 9000, разработанных Международной организации по стандартизации (ISO) позволяет обеспечить высокое качество и надежность работ.

На этапе применения изделия по назначению, заложенные при проектировании и производстве значения показателя надежности будут поддерживаться только при выполнении условий и правил эксплуатации согласно эксплуатационной документации.

Таким образом, на всех этапах жизненного цикла ИС уделяется пристальное внимание.

3. Способы повышения надежности

Способы повышения надежности можно разделить на четыре группы:

1) уменьшение наработки

2) снижение интенсивности отказов;

3) улучшение восстанавливаемости;

4) резервирование (введение избыточности).

Уменьшение наработки для выполнения определенного объема работ достигается выбором более быстродействующих элементов и высокопроизводительных устройств при проектировании. При эксплуатации уменьшить наработку можно полным или частичным выключением системы или ее отдельных устройств в паузе между рабочими сеансами. Например, в ПК предусмотрены так называемые схемы управления питанием, которые отключают монитор, поток ЖД, и переводят процессор в режим при отсутствии внимания к ПК со стороны пользователя. Следует отметить, что сохранить надежность системы путем сокращения времени ее непрерывной работы можно лишь, если число включений и выключений мало, т.е. система работает сравнительно с большой скважностью. При частом включении и выключении переходные процессы оказывают сильное вредное воздействие.

Уменьшение интенсивности отказов актуально на всех этапах жизненного цикла ИС. На этапе проектирования - за счет комплектации системы элементами повышенной надежности, как высокотехнологичных элементов, так и за счет входного контроля. Создания оптимального температурного режима, снижение электрической нагрузки, конструктивные методы защиты от механических и других внешних воздействий (например, герметизация) позволяют уменьшить интенсивность отказов. Следует отметить, что существенно повысить надежность системы может уменьшение сложности системы. (Вероятность отказа системы складывается из произведения вероятности отказов всех ее элементов). Однако создание простых схем является одной из наиболее трудных технических задач.

На этапе эксплуатации - приведение условий эксплуатации в соответствие с требованиями, при которых гарантируются паспортные данные по надежности и организация профилактического обслуживания.

Улучшение восстанавливаемости. Восстановление ИС требует выполнения ряда процедур: обнаружение неисправности, поиск неисправности (локализация), удаление его из системы, включение в систему исправного элемента из резерва, ремонт неисправного элемента, установка замененного элемента в рабочее состояние, проверка его работоспособности, проверка работоспособности всей системы, и, наконец, возобновление функционирования всей системы. Таким образом, обнаружение неисправности - обязательная процедура в процессе восстановления, которая обеспечивается средствами контроля и диагностики.

Резервирование - способ обеспечения надежности за счет применения дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Этот способ предусматривает замену отказавших частей аппаратуры резервными при условии, что резервная аппаратура входит конструктивно и функционально в состав рассматриваемой аппаратуры. Включение резерва может быть произведено в ручную или автоматически, в некоторых случаях резерв может быть функционально связан с основной аппаратурой так, что специального включения не требуется. Если же для восстановления работоспособности аппаратуры требуется удалить отказавшую часть аппаратуры, а вместо нее вставлять или вмонтировать аналогичную исправную, то речь идет не о резервировании, а о ремонте. Программное обеспечение может быть также резервировано.

8. Резервирование в ИС как метод повышения надежности на этапе их создания и разработки

1. Виды резервирования

Резервирование - способ обеспечения надежности за счет применения дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.. Этот способ предусматривает замену отказавших частей аппаратуры резервными при условии, что резервная аппаратура входит конструктивно и функционально в состав рассматриваемой аппаратуры. Включение резерва может быть произведено в ручную или автоматически, в некоторых случаях резерв может быть функционально связан с основной аппаратурой так, что специального включения не требуется. Если же для восстановления работоспособности аппаратуры требуется удалить отказавшую часть аппаратуры, а вместо нее вставлять или вмонтировать аналогичную исправную, то речь идет не о резервировании, а о ремонте. Программное обеспечение может быть также быть резервировано. Иногда вместо термина "резервирование" используется "введение избыточности". Под избыточностью понимают превышение веса, габаритов, производительности, стоимости и других технико-экономических характеристик. Введение избыточности не означает автоматического улучшения показателей надежности. Чтобы улучшение произошло, необходимо соответствующим образом управлять избыточными ресурсами, создать определенные условия и правила их использования, а в некоторых случаях предусмотреть специальные технические и программные средства активации этих ресурсов.

В ИС различают 5 видов резервирования: структурное, временное, функциональное, информационное и алгоритмическое.

1. Структурное резервирование - резервирование с применением резервных элементов структуры объекта. Структурное резервирование реализуется введением в систему резервных (избыточных) элементов, которые при абсолютной надежности элементов исходной системы не являются функционально необходимыми, а используются системой после отказа основных элементов. При структурном резервировании элементов (или цепей) системы показатели надежности повышаются дискретно (скачками). Характерной особенностью структурного резервирования является то, что в идеально надежной системе все резервные элементы могут быть удалены из системы без какого-либо ухудшения качества ее функционирования.

В системе со структурным резервом не любой отказ элемента приводит к отказу системы, так как работа системы поддерживается за счет перестройки (реконфигурации) структуры и подключения резервных элементов. Отказ системы наступает только тогда, когда нарушение работоспособности в одном из основных элементов не удается компенсировать своевременным подключением работоспособного резервного элемента (группы элементов).

Преимуществом структурного резервирования, объясняющим его широкое применение, является то, что введение резервной аппаратуры, увеличивая суммарную интенсивность отказов элементов (основных и резервных), существенно уменьшает интенсивность отказов системы. Как следствие, улучшаются другие показатели надежности. При наличии потока отказов элементов структурное резервирование позволяет обеспечить непрерывную работу системы в течение промежутка времени, во много раз превосходящую среднюю наработку до отказа нерезервированной системы. В системах, состоящих из нескольких одновременно работающих устройств одинаковой производительности, в которой отказ одного из устройств снижает общую производительность системы, структурное резервирование стабилизирует производительность системы

2. Функциональное резервирование - способ повышения надежности использующий свойство технических систем обеспечивать при отказах элементов безотказное функционирование за счет перераспределения функций и более интенсивной работы элементов, выполнявших до отказа только свои основные функции. Выполнять дополнительные функции они способны лишь временно, и это может сопровождаться некоторым ухудшением общего качества работы, но в допустимых пределах. При функционировании в системе нет лишних элементов - они все необходимы для выполнения требуемого набора функций. Характерной особенностью такого вида резервирования является как раз то, что даже их идеально надежной системы нельзя удалить ни одного элемента, не вызвав перераспределения функций элементов и увеличения их функциональной нагрузки уже на постоянной основе, возможно, с переходом на более тяжелые режимы работы.

3. Временное резервирование - способ повышения надежности, при котором системе в процессе функционирования предоставляется возможность израсходовать некоторое время, называемое резервным, для восстановления технических характеристик. Резервы времени могут быть использованы для переключения структурного резерва, устранения отказов, технического обслуживания и пр. Резерв времени может быть обеспечен различными способами:

а) увеличением оперативного времени, т.е. времени выделяемого системе для выполнения задания (за счет уменьшения времени на обслуживание, планируемых простоев, повышения сменности работы и др.);

б) созданием запаса производительности (за счет внутренних запасов выходной продукции, в ИС - информации, например в запоминающих устройствах, пока запас не исчерпан, информация поступает на выход системы, и смежные с ней системы считают ее работоспособной);

в) приданием системе свойства функциональной инерционности. Функциональная инерционность - свойство системы, характеризующее ее способность допускать перерывы в работе без потери выходного эффекта, которые можно использовать для восстановления ее работоспособности.

Для систем с временным резервированием (СВР) нарушение работоспособности не обязательно сопровождается отказом системы даже при последовательном соединении ее элементов, так как есть возможность восстановить работоспособность за резервное время. Отказ системы с временным резервированием - событие, заключающееся в нарушении работоспособности, вызывающем недопустимые последствия или не устраненном за допустимое время. Отказы объекта могут отличаться по последствиям. Если отказ вызывает лишь задержку выполнения задания, но не приводит к повторению работ, то его называют обесценивающим или разрушающим. В противном случае его называют обесценивающим или разрушающим. В связи с наличием обесценивающих отказов всю наработку системы разделяют на полезную и обесцененную.

4. Информационное резервирование - резервирование с применением информационной избыточности, используемой для улучшения характеристик системы. Реализуется введением избыточных кодов и символов при передаче, обработке и отображении информации (например, дополнительные единицы информации, позволяющие обнаруживать и устранять ошибки в передаче информации: корректирующие коды, контрольные суммы, проверки на четность и др.). Вводится избыточность массивов данных в составе файла данных, а также избыточность файловой структуры в памяти ЭВМ (2 FAT на флоппи). Информационная избыточность уменьшает:

поток отказов системы, так как не все отказы элементов становятся отказами системы; если последствия отказа элемента удается устранить за счет информационной избыточности, то он не считается отказом системы (контроль ошибок в ЗУ);

время восстановления за счет уменьшения объема работ, обесцененных отказом; при этом уменьшается время, затрачиваемое на повторение обесцененной части работ, и увеличивается полезная наработка;

время восстановления за счет сокращения времени обнаружения и поиска неисправности.

5. Алгоритмическое резервирование - базируется на параллельной обработке информации алгоритмом минимальной сложности. Оно используется во взаимодействии с другими видами резервирования и в ряде случаев является необходимым условием их реализации (корректирующие коды).

2. Методы структурного и временного резервирования

Основным параметром структурного резервирования является кратность, представляющая собой отношение числа резервных и основных элементов:

M=m/k,

где m - число резервных подсистем, k - основных подсистем в резервной группе. Подсистемой в данном случае называется совокупность основных или резервных элементов, подлежащих замене при отказе хотя бы одного элемента этой совокупности (т.е. элементы соединены последовательно).

При k=1 кратность резервирования называют целой, при k<1 - дробной.

При резервировании с целой кратностью система является последовательным соединением n резервных групп, каждая из которых имеет структуру (параллельное соединение). В состав i-й группы входят один основной и mi резервных элементов. Все элементы одной группы одинаковы и имеют одну и ту же функцию распределения наработки до отказа Fi(t). Вероятность безотказной работы системы:

.

При резервировании с дробной кратностью количество резервных единиц меньше числа основных элементов. Это возможно, например, когда все элементы системы одинаковы. Резервные элементы не закрепляются за определенными основными элементами, а могут заменить любой из них. При выходе из строя одного рабочего элемента вместо него включается один резервный элемент. (Скользящее резервирование). Резервированная система состоит из l отдельных систем. Для ее нормальной работы необходимо, чтобы исправными были не менее, чем h систем. Кратность: l-h/h. Расчетные формулы для основных количественных характеристик надежности, таким образом, резервированной системы могут быть получены при следующих допущениях:

1)отказы элементов удовлетворяют условиям простейшего потока отказов;

2) переключающие устройства идеальны;

3) основные и все резервные системы равнонадежны.

Т.е все резервные системы находятся в рабочем состоянии с момента включения резервированной системы в работы. При отказе одной или всех l-h систем режимы работы оставшихся не меняются. Резервированная таким образом система будет работать нормально при следующих возможных ситуациях:

- ни одна из систем не отказала;

- отказала одна система;

- отказали две системы

….

- отказали l-h систем.

Тогда вероятность безотказной работы системы равна:

Где Hi - гипотеза, заключающаяся в том, что резервированная систем будет исправно работать при отказе i любых систем; P(Hi) - вероятность появления гипотезы Hi. Так как отказы элементов являются событиями независимыми и происходящими при одинаковых условиях работы отдельных систем, то применима теорема о повторении опытов, а вероятности гипотез подчинены биноминальному распределению:

,

где Po и Qo - вероятность безотказной работы и вероятность отказа одной системы. Биномиальные коэффициенты:

.

Постоянное (нагруженное, "горячее") резервирование элементов систем

При постоянном резервировании (рис.) резервные элементы постоянно присоединены к основному и функционируют одновременно, начиная с момента включения системы. Т.е. резервные элементы с самого начала работы системы подвергаются опасности отказа. Такая структура предполагает параллельное включение элементов с использованием формулы умножения вероятностей независимых в совокупности случайных событий, вероятность отказа системы в рассматриваемый момент времени t составит:

Вероятность безотказной работы системы:

Достоинство - простота и экономичность, недостаток - изменение электрических режимов остальных элементов при отказе данного. Можно показать, что при малых наработках указанный способ обеспечивает увеличение вероятности безотказной работы.

Резервирование замещением (ненагруженное, динамическое, "холодное")

При резервировании замещением резервные элементы находятся в отключенном состоянии и не подвергаются опасности отказа до момента включения, наступающего при отказе основного (предшествующего резервного) элемента. Замещение отказавшего основного элемента резервным можно проводить вручную, полуавтоматически и автоматически. В первом случае никакой аппаратуры переключения не требуется, но время переключения довольно велико. При автоматическом переключении используется специальный автомат переключения резерва. Он уменьшает время переключения, однако сам обладает конечной надежностью.

Сравнение показывает, что резервирование замещением является более эффективным способом повышения безотказности элементов систем, чем постоянное резервирование, причем относительное увеличение вероятности безотказной работы особенно велико при больших значениях наработки.

Вычислим вероятность безотказной работы при следующих допущениях:

1) все резервные системы до момента замещения равнонадежны;

2) переключающие устройства в смысле надежности идеальны;

3) ремонт резервированной системы в процессе ее работы невозможен.

Пусть первоначально резервированная система состоит из одной рабочей А и одной резервной систем Б. При принятых допущениях отказ системы будет присутствовать при следующих возможных событиях:

А) система А в течение времени t не отказала;

Б) система А отказала в момент времени t, а система Б, будучи исправной до момента замещения t, оставалась исправной в течении времени (t-t).

Тогда вероятность безотказной работы резервированной системы в течение времени t:

Pc(t)=PA(t)+PБ/А(t,t).

PA(t) - вероятность безотказной работы системы А в течении времени t; PБ/А(t,t) - вероятность безотказной работы системы Б в течение времени t при условии, что отказ системы А произошел в момент времени t, которая равна:

.

Тогда вероятность безотказной работы резервированной системы равна:

.

Резервные системы теряют надежность лишь с момента замещения отказавшей системы ("холодный резерв"), т.е. ее отказ до момента t произойти не может, поэтому P(t,t)= P(t-t). Для системы с кратностью резервирования m при равной вероятности P(t) резервных и замещаемого элементов можно получить:

.

Это реккурентная формула. На практике часто встречаются задачи, когда требуется по известной вероятности безотказной работы нерезервированной системы вычислить вероятность безотказной работы резервированной m раз. Для решения этой задачи по формуле необходимо первоначально вычислить вероятность безотказной работы при m=1, затем по полученному результату вычислить P(t) при m=2 и т.д.

Облегченный резерв

При облегченном резерве резервные элементы до момента включения находятся в облегченном режиме работы, характеризуемом пониженным значением интенсивности отказов.

Мажоритарное резервирование

Разновидностью структурного резервирования является мажоритарное резервирование (с использованием "голосования"). Этот способ применяется в системах управления и линиях передачи данных; он основан на использовании дополнительного элемента - мажоритарного или кворум-элемента. Этот элемент производит сравнение сигналов от параллельно включенных элементов, выполняющих одну и ту же функцию, и передает на выход системы сигнал, поступающий от большинства элементов (рис.).

Главное достоинство этого способа резервирования - обеспечение надежности при любых видах отказов. Например, при отсутствии кворум-элемента и отказах типа "обрыв" (на выходе отказавшего информационно-логического устройства постоянно сигнал равен 0) постоянное резервирование повышает надежность системы, а при отказах типа "замыкание" (на выходе отказавшего информационно-логического устройства постоянно сигнал равен 1) надежность систем с параллельно подключенными элементами наоборот ниже, чем у одного устройства без резерва, и опасность отказа возрастает. Подключение кворум-элемента устраняет эту опасность, так как обеспечивает правильную передачу сигнала с входа на выход при отказе любого вида одного устройства из трех.