Надежность на этапе проектирования

Надежность на этапе проектирования является новой дисциплиной и относится к процессу разработки надежных изделий. Этот процесс выключает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения, которыми должна владеть организация для обеспечения высокой надежности и ремонтопригодности разрабатываемого продукта с целью достижения высоких показателей готовности, снижения затрат и максимального срока службы продукта. Как правило, первым шагом в этом направлении является нормирование показателей надежности. Надежность должна быть «спроектирована» в системе. При проектировании системы назначаются требования к надежности верхнего уровня, затем они распределяются на определенные подсистемы разработчиками, конструкторами и инженерами по надежности, работающими вместе. Проектирование надежности начинается с разработки модели. При этом используют структурные схемы надежности или деревья неисправностей, при помощи которых представляется взаимоотношение между различными частями (компонентами) системы.

Одной из наиболее важной технологией проектирования является введение избыточности или резервирование. Резервирование – это способ обеспечения надежности изделия за счет дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций (ГОСТ 27.002). Введение избыточности совместно с хорошо организованном мониторинге отказов и недопущении отказов по общей причине, системы с даже низкой надежностью по одному каналу могут быть доведены до изделия с высоким уровнем надежности. Однако, введение избыточности на высоком уровне в сложной системе (например, на уровне двигателя самолета) очень сложно и дорого, что ограничивает такое резервирование. На более низком уровне системы резервирование реализуется быстро и просто, например, использование дополнительного соединения болтом.

Существует много методик анализа надежности, специфических для отдельных отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

• Анализ видов и последствий отказов (авпо)

• Имитационное моделирование надежности

• Анализ опасностей (Hazard analysis)

• Анализ структурных схем надежности (RBD)

• Анализ деревьев неисправностей

• Ускоренные испытания

• Анализ роста надежности

• Вейбулл-анализ (анализ эмпирических данных испытаний и эксплуатации)

• Анализ смеси распределений

• Устранение критичных отказов

• Анализ ремонтопригодности, ориентированной на безотказность

• Анализ диагностики отказов

• Анализ ошибок человека-оператора

Инженерные исследования проводятся для определения оптимального баланса между надежностью и другими требованиями и ограничениями.

Существенную помощь при инженерном анализе надежности могут оказать программные комплексы для расчета надежности.

Испытания на надежность

Испытания на надёжность проводятся для того, чтобы на более ранних этапах жизненного цикла изделия обнаружить потенциальные проблемы, обеспечить уверенность, что система будет отвечать заданным требованиям.

Испытания на надежность могут проводится на разных. Сложные системы могут испытываться на уровне компонент, устройств, подсистем и всей системы. Например, испытания компонент на воздействие внешних факторов может выявить проблемы перед тем, как они будут обнаружены на более высоком уровне интеграции. Проведение испытаний на каждом уровне интеграции до испытания всей системы с одновременным развитием программы испытаний позволяет снизить риск неудачи такой программы.

Надежность системы рассчитывается на каждом уровне испытаний. При этом часто используются такие методы как анализ роста надежности и системы отчета и анализа отказов и корректирующих действий ((FRACAS). Недостатками таких испытаний являются время и затраты. Заказчики могут пойти на некоторый риск и отказаться от испытаний на более низких уровнях.

Некоторые системы принципиально не могут подвергаться испытаниям, например, из-за чрезмерно большого числа различных тестов или жестких ограничений по времени и затратам. В таких случаях могут быть использованы ускоренные испытания, методы планирования экспериментов и моделирование.

Надежность и безопасность

Надежность в инженерной практике отличается от безопасности отношением к видам опасностей, с которыми она имеет дело. Надежность в технике главным образом связана с определением стоимостных показателей. Они относятся к тем опасностям в смысле надежности, которые могут перерасти в аварии с частичной потерей доходов для компании или заказчика. Это может произойти из-за потери по причине неготовности системы, неожиданно высоких затрат на запасные части и ремонт, перерывов в нормальной работе и т.п. Безопасность относится к тем случаям проявления опасности, которые могут привести к потенциально тяжелым авариям. Требования по безопасности функционально связаны с требованиями по надежности, но характеризуются более высокой ответственностью. Безопасность имеет дело с нежелательными опасными событиями для жизни людей и окружающей среды в том же смысле, что и надежность но не связана напрямую со стоимостными показателями и не относится к действиям по восстановлению после отказов и аварий. У безопасности другой уровень важности отказов в обществе и контроля со стороны государства. Безопасность часто контролируется государством (например, атомная промышленность, космос, оборона, железные дороги и нефтегазовый сектор).

Отказоустойчивость

Надежность может быть увеличена при использовании резервирования «2 из 2» на уровне компонент или системы, но это может привести к снижению безопасности за счет увеличения вероятности ложной тревоги (например, ложное срабатывание тормозной системы поезда). Отказоустойчивые мажоритарные системы (логика голосования «2 из 3») может увеличить как надежность, так и безопасность на системном уровне. Такие методы являются общей практикой в аэрокосмических системах, в которых требуется постоянная готовность и недопустимость опасных отказов

Оценивание надежности техники при эксплуатации

После того, как система изготовлена осуществляется мониторинг ее надежности, оцениваются и корректируются недоработки и недостатки. Мониторинг включает в себя электронное и визуальное наблюдение за критическими параметрами, выявленными на стадии проектирования при разработке дерева неисправностей. Для обеспечения заданной надежности системы данные постоянно анализируются, используя статистические методы, такие как Weibull-анализ и линейная регрессия. Данные о надежности и оценки параметров являются ключевыми входами для модели системной логистики.

Одним из наиболее общих методов для оценивания надежности техники при эксплуатации являются системы отчетов, анализа и коррекции действий (FRACAS). Систематический подход к оцениванию надежности, безопасности и логистики основан на отчетах об отказах и авариях, менеджменте, анализе корректирующих/предупреждающих действий.

Организация работ по надежности

Системы любой сложности разрабатываются организациями людей, такими как коммерческие компании или государственные учреждения. Организация работ по надежности (инжиниринг надежности) должна быть согласована со структурой компаний или учреждений. Для небольших компаний работы по надежности могут быть неформальными. С ростом сложности задач возникает необходимость формализации функций по обеспечению надежности. Так как надежность важна для заказчика, заказчик дожжен видеть некоторые аспекты организации этих работ.

Существует несколько типов организации работ по надежности. Менеджер проекта или главный инженер проекта может иметь в непосредственном подчинении одного или более инженеров по надежности. В более крупных организациях обычно образуется отдельное структурное подразделение, которое занимается анализом надежности, ремонтопригодности, качества, безопасности, человеческого фактора, логистикой. Так как работа по обеспечению надежности особенно важна на этапе проектирования, часто инженеры по надежности или соответствующие структуры интегрированы с проектными подразделениями.

В отдельных случаях компания создает независимую структуру, которая занимается организацией работ по надежности.

Обучение инженеров по надежности

Некоторые высшие учебные заведения подготавливают инженеров по надежности. Другой формой подготовки специалистов в области надежности могут быть аккредитованные при высших учебных заведениях или колледжах учебные программы или курсы. Инженер по надежности может иметь профессиональный диплом именно по надежности, но для большинства работодателей это не требуется. Проводятся многочисленные профессиональные конференции, реализуются отраслевые программы подготовки кадров по вопросам надежности. К международным организациям инженеров и ученых в области надежности относятся IEEE Reliability Society, American Society for Quality (ASQ) и Society of Reliability Engineers (SRE).

Литература

Книги

1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.:1969.

2. Надежность технических систем/ Под ред. И.А.Ушакова. –М.:1985.

3. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. –М.: Машиностроение, 1990.

4. Рябинин И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2007 г., 278 с.

Статьи

1. Рябинин И.А. «История возникновения, становления и развития логико-вероятностного анализа в мире» в сборнике «Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах: Труды Международной научной школы МА БР - 2011»

2. Рябинин И.А., Струков А.В. — «Кратко аннотированный список публикаций зарубежный периодический изданий по вопросам оценивания надежности структурно-сложных систем» в сборнике «Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах: Труды Международной научной школы МА БР - 2011».

3. A.Avizienis, J.-C. Laprie and B. Randell «Fundamental Concepts of Dependability». Research Report No 1145, LAAS-CNRS, April 2001

4. Струков А.В. «Анализ международных и российских стандартов в области надежности, риска и безопасности».

Ссылки

1. ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Общие понятия»

Примечание

Стандарты Российской федерации в области надежности в технике

1. ГОСТ Р 27.001-2009. Надежность в технике. Система управления надежностью. Основные положения.

2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

3. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

4. ГОСТ 27.004-85. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения.

5. ГОСТ Р 27.004-2009. Надежность в технике. Модели отказов.

6. ГОСТ 27.202-83. Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции.

7. ГОСТ 27.203-83. Надежность в технике. Технологические системы. Общие требования к методам оценки надежности.

8. ГОСТ 27.204-83. Надежность в технике. Технологические системы. Технические требования к методам оценки надежности по параметрам производительности.

9. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

10. ГОСТ Р 27.302-2009. Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей.

11. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.

12. ГОСТ 27.402-95. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля вероятности безотказной работы.

13. ГОСТ Р 27.403-2009. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля вероятности безотказной работы.

14. ГОСТ Р 27.404-2009. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля коэффициента готовности.

15. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения.

16. ГОСТ 27883-88. Средства измерения и управления технологическими процессами. Надежность. Общие требования и методы испытаний.

17. Р 50779.10-2000. Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения. Вероятность и основные статистические термины.

Стандарты Международной электротехнической комиссии в области надежности (в скобках указаны стандарты РФ, гармонизированные со стандартами МЭК)

1. IEC 60300-3-1. Dependability management – Part 3-1: Application guide - Analysis techniques for dependability – Guide on methodology (ГОСТ Р 51901.5-2007. Менеджмент риска.

Руководство по применению методов анализа надежности)

2. IEC 60050-191. Vocabulary Dependability (ГОСТ Р 27.002-2009. Надежность в технике. Термины и определения (не действует на территории РФ))

3. IEC 61703. Mathematical expressions for reliability, availability, maintainability and maintenance support terms.

4. IEC 62347. Guidance on system dependability specifications.

5. IEC 60300-3-4. Dependability management - Part 3-4: Application guide - Guide to the specification of dependability requirements.

6. IEC 60300-3-15. Dependability management - Part 3-15: Application guide – Engineering of system dependability.

7. IEC 60300-3-16. Dependability management - Part 3-16: Application guide - Guidelines for specification of maintenance support services.

8. IEC 60706-2. Maintainability of equipment.–Part 2: Maintainability requirements and studies during the design and development phase.

9. IEC 61078. Analysis techniques for dependability - Reliability block diagram and Boolean methods (ГОСТ Р 51901.14-2007. Менеджмент риска. Структурная схема надежности и булевы методы).

10. IEC 60319. Presentation and specification of reliability data for electronic components.

11. IEC 60812. Analysis techniques for system reliability - Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA) (ГОСТ Р 51901.12-2005. Менеджмент риска. Методика анализа видов и последствий отказов).

12. IEC 61025. Fault tree analysis (FTA) (ГОСТ P 27.302-2009. Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей).

13. IEC 62308. Equipment reliability – Reliability assessment methods.

14. IEC 61709. Electronic components – Reliability – Reference conditions for failure rates and stress models for conversion.

15. IEC /TR 62380. Reliability data handbook – Universal model for reliability prediction of electronics components, PCBs and equipment.

16. IEC 61650. Reliability data analysis techniques - Procedures for comparison of two constant failure rates and two constant failure (event) intensities.

17. IEC 60605-4. Equipment reliability testing - Part 4: Statistical procedures for exponential distribution - Point estimates, confidence intervals, prediction intervals and tolerance intervals.

18. IEC 62502. Analysis techniques for dependability – Event tree analysis (ETA).

19. IEC 60300-3-5. Dependability management - Part 3-5: Application guide - Reliability test conditions and statistical test principles.

20. IEC 61014. Programmes for reliability growth (ГОСТ Р 51901.6-2007. Менеджмент риска.

Программа повышения надежности).

21. IEC 61123. Reliability testing - Compliance test plans for success ratio.

22. IEC 61124. Reliability testing - Compliance tests for constant failure rate and constant failure intensity.

23. IEC 60605-2. Equipment reliability testing - Part 2: Design of test cycles.

24. IEC 60605-6. Equipment reliability testing - Part 6: Tests for the validity and estimation of the constant failure rate and constant failure intensity.

25. IEC 61070. Compliance test procedures for steady-state availability.

26. IEC 61649. Weibull analysis.

27. IEC 62429. Reliability growth – Stress testing for early failures in unique complex systems.

11