Глава 1. Общие сведения по теории надежности

1.1. Основные термины и определения

Под системой понимают совокупность элементов, взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций. Система предназначена для выполнения определенной практической задачи и ее надежность имеет самостоятельное практическое значение.

Элементом системы называют составную часть системы, которая рассматривается без дальнейшего разделения как единое целое; внутренняя структура элемента при данном рассмотрении не является предметом исследования.

Элементами конфигурации АС могут являться следующие элементы.

Ячейка - отдельная конструкция, не имеющая самостоятельного функцио­нального назначения.

Узел - несколько деталей, ячеек, объединенных для выполнения определен­ных функций, но не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения (регистр команд).

Устройство - соединение деталей, узлов, имеющее самостоятельное экс­плуатационное назначение (блок питания).

Прибор - группа блоков, имеющая конструктивно самостоятельное назначе­ние.

Установка - группа приборов.

Таким образом, системой можно считать устройство, состоящее из нескольких установок.

Под автоматизированными системами (АС) понимается определенное количество компьютеров, промышленных контроллеров, устройств числового программного управления станками и промышленными роботами, устройств управления транспортными средствами и другими технологическими установками, объединенных локальными вычислительными сетями и обеспечивающих сбор, обработку, хранение и передачу управляющей информации. Отличительные особенности сложной современной АС таковы:

- большое количество разнородных элементов (технические средства (ТС), программное обеспечение (ПО), информационное обеспечение (ИО), оперативный персонал (ОП) и т.д.);

- сложный характер связей между элементами (электрические, механические, информационные, эргатические и т.д.);

- многообразие функций выполняемых системой;

- наличие элементов самоорганизации;

- сложность поведения при изменяющихся внешних воздействиях, обусловленная наличием обратных связей, участием ОП в функционировании системы.

Для введения понятия «Надежность «АС» и отдельных ее составляющих, необходимо рассмотреть состояния, в которых может находиться АС в процессе ее эксплуатации.

1. Работоспособным называется такое состояние системы (элемента), при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической или конструкторской документацией.

2. Неработоспособным называется состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность системы выполнять заданные функции, не находится в пределах, установленных указанной документацией. Например, система измерения температуры является неработоспособной, если основной параметр, характеризующий качество ее функционирования — погрешность измерения, превышает заданную величину.

3. Исправным является такое состояние, при котором система соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

4. Неисправным является такое состояние, при котором имеется хотя бы одно несоответствие вышеперечисленным требованиям.

5. Предельным считается состояние, при котором дальнейшее применение системы по назначению недопустимо или нецелесообразно. После попадания в предельное состояние может следовать ремонт (капитальный или средний), в результате чего восстанавливается исправное состояние, или же система окончательно прекращает использоваться по назначению.

Отличие между исправным и работоспособным состояниями заключается в следующем. Работоспособная система удовлетворяет только тем требованиям, которые существенны для функционирования, и может не удовлетворять прочим требованиям (например, по сохранности внешнего вида элементов), Система, находящаяся в исправном состоянии, заведомо работоспособна.

Переход системы (элемента) из одного состояния в другое осуществляется посредством следующих событий.

1. Сбой - кратковременное нарушение работоспособности системы, после ко­торого ее работоспособность либо восстанавливается оператором без проведения ремонта, либо самовосстанавливается.

2. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработоспособное состояние. Понятие «отказ» является важнейшим в теории надежности.

3. Повреждение - событие, заключающееся в переходе системы из исправного в неисправное (но работоспособное) состояние.

4. Восстановление - событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного в работоспособное состояние. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым - в которых проводится восстановление непосредственно после отказа.

Одна и та же система в различных условиях применения может быть отнесена к невосстанавливаемым (например, если она расположена в необслуживаемом помещении, куда запрещен доступ персонала во время работы технологического агрегата) и к восстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может начать восстановление. Само понятие «восстановление» следует понимать не только как корректировку, настройку, пайку или иные ремонтные операции по отношению к тем или иным техническим средствам, но и как замену этих средств.

В принципе подавляющее большинство АС подлежит восстановлению после отказа, после чего они вновь продолжают работу. То же относится к большей части технических средств; к числу невосстанавливаемых можно отнести только такие элементы, как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и т. п.

Отметим, что к невосстанавливаемым относятся системы, в принципе подлежащие восстановлению после отказов, но поведение, которых целесообразно рассматривать до момента первого отказа. К их числу, например, можно относить системы, чьи отказы чрезвычайно редки и вызывают особо тяжелые последствия.

Под надежностью и безопасностью АС понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования, выражающийся в хищении или изменении информации, а также в нарушении ее работоспособности.

Случайные вмешательства:

- аварийные ситуации из-за стихийных бедствий или отключения электрического питания;

- отказы или сбои в работе электрических схем;

- ошибки программирования;

- ошибки в работе обслуживающего персонала.

Преднамеренные вмешательства – это целенаправленные действия нарушителей.

Хищения связаны с разглашением конфиденциальной или секретной информации.

Нарушение работоспособности зависит либо от снижения производительности или функциональных возможностей, либо от блокировки доступа к некоторым информационным ресурсам АС.

Надежность технических средств является комплексным свойством, включающим в себя более простые свой­ства, которые называются сторонами и видами надежности.

1. Безотказность - свойство системы непрерывно сохранять работоспособ­ность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Безотказность является наиболее важной компонентой надежности, так как она отражает способность длительное время функционировать без отказов. Безотказность систем в решающей степени влияет на эффективность их использования и определяется количеством и безотказностью элементов, режимом их работы, наличием резервирования, параметрами окружающей среды (температурой, запыленностью) и др.

2. Ремонтопригодность - свойство системы, заключающееся в ее приспособ­ленности к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению рабо­тоспособности либо путем проведения ремонта, либо путем замены отка­завших элементов. Ремонтопригодность зависит от того, выполнены ли элементы в виде отдельных, легко заменяемых блоков, а также от использования средств встроенного контроля работоспособности и диагностики. Следует отметить, что характеристики ремонтопригодности существенно зависят не только от свойств самой системы, но и от квалификации обслуживающего персонала и от организации эксплуатации.

3. Долговечность - свойство системы сохранять работоспособность до насту­пления предельного состояния при установленном режиме технического обслу­живания и ремонта. Долговечность системы зависит от долговечности технических средств и от подверженности системы моральному старению.

4. Сохраняемость - свойство системы сохранять работоспособность в течение и после ее хранения и (или) транспортирования. Поскольку автоматизированные системы в целом не хранятся, а могут сохраняться только отдельные технические средства и их элементы, то свойство сохраняемости для АС несущественно. Для технических средств и элементов это свойство имеет определенное значение, но менее важное, чем предыдущие свойства, так как эти средства обычно транспортируются только один раз — от завода-изготовителя к месту установки и длительность их хранения от момента поступления до монтажа и наладки (кроме технических средств и элементов, используемых в качестве запасных частей) относительно невелика. Вследствие этого вопросы сохраняемости ниже рассматриваться не будут [1].

Для оценки надежности АС находят применение дополнительные стороны надежности:

1. Живучесть - свойство системы сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не преду­смотренных нормативными условиями эксплуатации.

2. Достоверность информации - свойство системы выдавать достоверную информацию при возникновении в ней сбоев.

3. Достоверность функционирования – это свойство АС производить безошибочно преобразование, хранение и передачу информации.

4. Отказоустойчивость - свойство системы продолжать выполнение задан­ных функций после возникновения одного или нескольких сбоев или отказов от­дельных элементов.

5. Конфигурация - совокупность и способ взаимодействия программных и аппаратных средств системы, направленных на выполнение рабочего задания.

6. Реконфигурация - изменение состава и способа взаимодействия программ­ных и аппаратных средств системы с целью исключения отказавших элементов.

7. Избыточность - дополнительные программные и аппаратные средства, возможности алгоритма для выполнения дополнительных функций, предназна­ченных для повышения надежности АС.

8. Эффективность – свойство системы выдавать некото­рый полезный результат (эффект) при использовании ее по назначению.

Надежность и эффективность - взаимосвязанные понятия. Чем выше надеж­ность, тем выше и эффективность системы, но до определенного уровня, так как дальнейшее повышение надежности сопряжено с существенными экономически­ми затратами.

Различают следующие виды эффективности.

Эффективность номинальная - это эффективность системы при безотказном ее состоянии.

Эффективность реальная - это эффективность реальной системы, т.е. не об­ладающей идеальной надежностью.

Эффективность техническая - это технический эффект, полученный при использовании системы (количество переданной информации, снижение затрат времени и т. п.).

Эффективность экономическая - степень выгодности экономических затрат при использовании системы.

Рассмотренные определения позволяют сделать вывод о том, что надежность можно характеризовать как способность системы работать безотказно в заданных условиях эксплуатации. В наиболее общих случаях надежность АС определяется как сочетание безотказности, ремонтопригодности и долговечности.