Учебное пособие 800198

настаиваю на категориальном статусе понятия «надежность». Термином «атрибутивное понятие» я лишь фиксирую тенденцию приближения к такому статусу). Сегодня требование надѐжности предъявляется не только к техническим аппаратам, но и к техническим комплексам, к системам человек-техника, человек-человек (например, подбор космического экипажа на психологическую совместимость), человек-техника-природа (надѐжность космосферы на космической станции). И если сегодня надѐжность требуется в основном от относительно недлительных, дискретных процессов, то уже запуск космических станций к планетам солнечной системы, подготовка межзвѐздных полѐтов выдвигает проблему надѐжности относительно непрерывнодлительных, бессрочных процессов, в которых, к тому же, объекты попадают в предельно–критические ситуации. Последнее обстоятельство требует качественного изменения представления о надѐжности. Попытки изменения представлений о надѐжности в связи с развитием сложных систем существуют (80), однако, они в основе своей опираются на устаревшую концепцию надежности и предстают как нерадикальные ее подновления. Не претендуя здесь на всестороннее исследование надежности, я ставлю перед собою цель качественно изменить концепцию надежности для нужд современной техники.

Как известно, появлению надежностных представлений в технической теории предшествовали кинематические и динамические расчеты машин в предположении, что прочность и долговечность элементов машин гарантирована, если эмпирически подобрать или изготовить соответствующий материал (17-19 вв.). Долговечность машины здесь не являлась объектом теории, она считалась обеспеченной эмпирически. Недостаточность такой, основанной на метафизическом атомизме, теории обнаружилась с утверждением машинного производства (19

133

век-начало 20 в.), когда появилась необходимость учитывать системное влияние деструктивных факторов, распределенное как в пространстве, так и во времени (пример – усталостное разрушение).

Борьба с системными деструкционными процессами в технике вначале шла по пути увеличения прочности соответствующих элементов, принятием мер против деструкции машин во время эксплуатации (смазка, замена подшипников, борьба с коррозией посредством покрытий и т. п.). Долговечность технической системы все еще не считалась ее внутренней характеристикой, определяемой ее структурной организацией. Действительно, если дышло паровоза не выдерживало длительной нагрузки, его делали толще; если движитель поезда подвергался усталостному разрушению, для него устанавливали предельное время эксплуатации - и все.

С возникновением авиации появилось понятие предельных систем. Предельная система – это система, свойства элементов которой не могут изменяться в широких пределах, без потери системой основных свойств. Так, для увеличения прочности самолета все его элементы могут быть сделаны из высокопрочной стали, однако при этом он просто не полетит, из-за недопустимого увеличения веса. С развитием авиации степень предельности увеличилась, достигнув в космических системах очень высоких значений. Появление и развитие все новых и новых предельных систем в разных областях техники поставило перед теорией задачу от отображения отдельных конкретных системных свойств объекта, характеризующих его работоспособность, перейти к отображению одного обобщающего системного свойства, характеризующего качество работы машины во всех возможных ситуациях, при любых деструктивных факторах. Таким свойством оказалась надежность машин. Бурное развитие радиоэлектроники для военных целей после второй мировой войны, создание все более сложных систем, привело

134

к противоречию между сложностью системы и ее надежностью. Так, например, в 1949 году в США в неисправном состоянии находилось около 70% морской радиоэлектронной аппаратуры, находилось в неисправном состоянии 80% времени. Попытка выйти из создавшегося положения традиционным путем принятия мер против деструкции во время эксплуатации привела к тому, что в США в 1952 году с ремонтом радиоэлектронной аппаратуры был связан каждый седьмой военнослужащий. Разрешение противоречия между сложностью и надежностью привело к статистической концепции надежности, положенной в основу новой самостоятельной области науки - теории надежности. В основе статистического понимания надежности нетрудно обнаружить ряд концептуальных допущений: 1)У каждого технического элемента существует определенный устойчивый срок службы, и этот срок может быть гарантирован при изготовлении элемента и эксплуатации его в определенных условиях. 2)Элемент становится непригодным в состоянии отказа, т. е. в таком состоянии, когда его характеристики выходят за допустимые пределы. Отказ может наступить как по истечению срока годности элемента, так и до этого. 3)Элемент находится либо в состоянии работоспособности, либо в состоянии отказа. 4)Причина отказа вскрывается каждый раз после отказа, и есть возможность, неограниченно повторяя эксплуатацию и каждый раз изменяя при этом состояние элемента, добиться приемлемой его работоспособности.

На основании этих допущений надежность была определена как вероятность того, что характеристики системы или элемента будут находиться в пределах технически заданных норм на протяжении заданного периода времени при определенных рабочих условиях. Согласно этому определению, числовое значение надежности идентично вероятному сроку удовлетворительной работы; надежность в

135

этом смысле может иметь значения от 0% до 100% для оговоренного отрезка времени. Достижения теории надежности на базе статистических методов получили широкое признание, несмотря на то, что статистические методы являются лишь приближением, с помощью которого нельзя с полной определенностью ответить на вопрос, будет ли данная конкретная система удовлетворительно работать на протяжении заданного периода времени, и в какой мере при этом функции системы будут соответствовать техническим требованиям. Между тем, современные виды деятельности все чаще требуют изначальной гарантированной стопроцентной надежности техники. В самом деле, в случае отказа снаряжения аквалангиста на глубине 150 метров, вернуть его не возможно, – он просто погибнет от кессонной болезни. Подчас невозможно возвратить из дальнего рейса и отказавший космический корабль. В таких условиях чисто статистический подход к надежности невозможен.

Ограниченность его осознана уже давно и, – при сохранении статистичности, – преодолевается во всех новых и новых концептуальных модификациях с использованием современных достижений математики. Одной из них является концепция функциональной надѐжности Р. Хэвиленда, по которой "…точкой отказа в идеальном объекте является точка,

вкоторой перестаѐт соблюдаться определѐнный закон накопления энергии. …Отказ в идеальном объекте произойдѐт

влюбой момент, когда количество энергии, запасѐнной путѐм определѐнного процесса, превзойдѐт некоторое критическое значение…. Если все формы энергии, запасѐнной в идеальном объекте, не превосходят своих критических пределов, то никаких изменений в объекте произойти не может" (88). Обеспечение надѐжности здесь достигается на основе предсказания так называемого временного ряда (там же, с. 65) точек отказов средствами теории экстремальных значений, разработанной Гумбелем. Достоинство концепции Хэвиленда

136

состоит в том, что она делает шаг к функционально – операциональному представлению надѐжности. Однако шаг этот ещѐ не радикален, концепция сохраняет в своей основе вышеуказанные общие допущения о надѐжности (см. стр. 4 настоящей статьи), ввиду чего ей присущи и все пороки чисто статистической концепции.

Радикальный переход к функциональнооперациональному представлению о надѐжности осуществляется в рамках структурно организационного подхода, выкристаллизовавшегося при развитии кибернетики. При данном подходе надѐжность рассматривается как характеристика организованной и самоорганизующейся системы, и, стало быть, существенно зависит от характеристик самоорганизации. Повышение надѐжности здесь рассматривается на путях информационного (см. 55) и физического резервирования (избыточности) элементов, охвата элементов различными механизмами автостабилизации и авторегулирования. В информационнокибернетический подход вписывается и исследование надѐжности передачи сигнала при различных его преобразованиях (кодирование, модуляция) в условиях помех. Не последнюю роль в повышении надѐжности технических систем играет изучение надежности живых систем.

Структурно – организационный подход предполагает переосмысление концепции и общих основ надѐжности, что является сложной задачей. Над нею уже работают ученые, стихийно переосмысливая отдельные вопросы данной комплексной проблемы. Попытаемся подойти, - с учѐтом достигнутого, - к переосмысливанию всего комплекса проблем надѐжности. Для этого проанализируем общие исходные предпосылки проблемы надѐжности.

1. У каждого технического элемента существует определѐнный устойчивый срок службы, и этот срок может

137

быть гарантирован при изготовлении элемента и эксплуатации его в определѐнных условиях.

Данное положение ориентировало разработку и эксплуатацию техники без выхода за рамки, внутри интервала качественной устойчивости (надѐжности) элементов и способов их связи в предположении, что условия благоприятствуют сохранению качества системы. Данное положение правомерно лишь при стационарной эксплуатации техники в наперѐд известных условиях и возможностях техники. Но в тех случаях, когда техника используется как орудие освоения нового мира, новых возможностей природы, рассматриваемое предложение в данном виде уже неприменимо, ибо с помощью техники разрешается противоречие между уже освоенным и ещѐ неосвоенным, где желаемый исход не гарантирован. Здесь и элементы техники, и способ их соединения, и параметры среды могут непредвиденно выходить за границы качественной устойчивости (надѐжности). Вспомним, что именно в таком режиме проходили работы на станции "Скайлэб", и что из-за этого не удалось выполнить полный объѐм запланированных исследований. В период НТР, объективно разворачивающейся как поток открытий и освоений, необходимо видоизменить первое положение и руководствоваться им уже в изменѐнном виде. В идеале, на основе того, что человечество в тенденции может любое материальное явление сделать атрибутивным, т.е. в неисчерпаемых превращениях обеспечить его устойчивое существование, первое положение примет такой вид: - у каждого технического элемента существует безграничный и бесконечный срок службы и это может быть гарантировано бесконечным преобразованием материи на предмет сохранения определѐнных технических функций. Разумеется, это предельная формулировка первого положения, реализуемая лишь в бесконечном процессе развития могущества человека. Она нуждается в конкретизации и может

138

быть конкретизирована, - на основе познания явления самоорганизации материи и всеобщих закономерностей еѐ самоорганизации (см. 19), - в следующее положение: каждый технический элемент может быть рассмотрен как воспроизводимое явление с заданными функциями и сохранять свою качественную определѐнность до тех пор, пока возможно его воспроизведение. В таком виде, т.е. не как разовая вещь, а как процесс еѐ воспроизведения технический элемент должен войти в конструкцию машины. Элемент, воспроизводимый при его функционировании, без прерывания работы машины – это ещѐ нерешѐнная в технике проблема. Однако, восстановление элемента при частичной остановке машины (ремонт на ходу, например) – это давно уже обыденность техники. Задача состоит, следовательно, в том, чтобы найти пути восстановления элементов без остановки машин и без снижения качества их работы.

Проанализируем второе положение.

2. Элемент становится непригодным в состоянии отказа, т.е. в таком состоянии, когда его характеристики выходят на допустимые пределы. Отказ может наступить как по истечении срока годности элемента, так и до того.

При структурно-организационном подходе данное представление об отказе и методологической функции этого понятия становится неприемлемым, и это уже осознаѐтся исследователями. "…Кибернетика не рассматривает ошибки как какое-то бедствие, по поводу которого нужно сокрушаться и от которого нужно стараться полностью избавиться: ошибки являются естественными и даже в какойто мере необходимыми в функционировании системы" (В. Г. Пушкин. 69. С. 30). И. А. Ушаков отмечает, что "… для сложных… систем оказывается уже весьма затруднительным сформулировать даже само понятие отказа. Дело в том, что большинство современных сложных систем имеет определѐнную структурную избыточность, позволяющую

139

продолжать функционирование всей системы после выхода из строя отдельных элементов и даже совокупностей элементов. Просто с отказами новых элементов система начинает функционировать с худшими качественными показателями, однако это ухудшение может происходить столь постепенно, что чѐтко сказать" система отказала" или "система нормально работает" про некоторые переходные состояния не представляется возможным" (80. С. 114). Итак, то, что ранее называлось отказом, в новых условиях предстаѐт как сигнал того, что какие-то элементы машины или их связь вышли за границу меры и работоспособность машины начинает падать. В то же время требуется снять с понятия отказа значение выхода машины из строя (а в идеале – и значение ухудшения качества работы), ибо она должна быть совершенно надѐжной.

Представление об отказе, как отмечают Б. Б. Волков, Р. С. Судаков и Т. А. Сарицын, необходимо " в условиях раздельного изготовления и контроля надѐжности элементов" (16). Стало быть, если бы изготовление элемента и контроль его надѐжности слить в единый процесс, то представление об отказе не понадобилось бы, ибо здесь всякий раз создавая элемент, мы автоматически создаѐм и контролируем его надѐжность. В каких процессах такое совмещение возможно? Оно возможно при непрерывном восстановлении элемента: именно при этом выход характеристик элемента за границы меры не влечѐт за собой ухудшения работы и отказа машины в целом. То есть, в общем случае это возможно в рамках концепции самоорганизации, где машина использует явление отказа как сигнал для включения средств восстановления, как алгоритм и как физический реагент самовосстановления. Разумеется, речь не идѐт о создании абсолютно безотказной машины: такая машина реализуется лишь на бесконечности технического творчества. Речь идѐт о расширении содержания понятия "отказ" применительно к современным задачам и возможностям техники. Идя по этому пути, И. А. Ушаков,

140

опираясь на введѐнное им понятие оперативной эффективности системы, углубляет представление об отказе сложной системы. Он даѐт критерий отказа применительно к системе в целом, а не к еѐ элементам, так что " … при анализе собственно надѐжности систем нас совершенно не интересует, какие функции и как выполняет система. Нас интересует лишь, нормально ли функционирует система или отказала, а вид вычисляемых функций и качество их выполнения определяют сам критерий отказа" (80. С. 115). Ушаков намечает, таким образом, иерархию значений отказа, каждый из которых автономен за счѐт того, что снимает по определѐнной схеме отказы глубинных уровней системы. Требование абсолютно безотказной на конечном интервале работы техники предполагает пойти по иерархии отказов дальше и снять в новом понимании отказа отказ системы как целого. Пути для этого уже намечены современной цивилизацией. Один из них иллюстрируется следующей ситуацией. В процессе добычи полезных ископаемых добывающая техника предстает в целом как абсолютно надѐжный компонент, ибо из-за неѐ процесс добычи в целом не прекращается. Но он может быть прекращѐн не из-за того, что техника отказала, а потому что добывать будет нечего или потому, что дальнейшая добыча будет угрожать целостности планеты. Нечто подобное данной схеме с соответствующей теоретико-конструктивной разработкой и следует, по моему, положить в основу нового понимания отказа (а, стало быть, – и в основу нового подхода в создании надѐжной техники). Намѐки на это есть уже в современной технике. Таким образом, второе положение может быть представлено так: - система становится непригодной в состоянии отказа, т.е. тогда, когда при полном сохранении своей работоспособности она не может продолжать работу из-за перевода ситуации и смысла работы в критическое или бессмысленное состояние.

141

Проанализируем теперь третье общее исходное положение.

3. Элемент находится в состоянии работоспособности, либо в состоянии отказа.

Данное положение лежит в основе определения состояния элементов техники как в режиме работы, так и вне его. От понимания третьего положения существенно зависит изготовление, запуск и надѐжная эксплуатация техники. Третье положение есть синтез двух первых, и поскольку они изменились, третье положение также должно измениться. Проблема заключается в отыскании концептуальной основы различения состояний работоспособности и отказа системы и еѐ элементов. Уже пройден довольно сложный путь от исходной формулировки третьего положения до представлений, в которых полярные состояния элемента связываются в механизмах развивающегося эвристического и даже недавно возникшего эволюционного программирования. Математические сложности всѐ чаще вынуждают представлять эту связь практически через моделирование на ЭВМ, т.е. вводить практику непосредственно в процесс познания надѐжности как его неотличимый от теории элемент. Проблема третьего положения волнует несмотря ни на что, видимо, потому, что люди сначала изготавливают технику, а затем используют еѐ. Так что на этапе изготовления люди уже озабочены надѐжностью техники на этапе применения. Эта разнесѐнность операций в пространстве-времени отображает структуру детерминирования и не может быть обойдена ни в одном случае материальнофизического изготовления техники. ( Она может быть обойдена лишь информационно.) В основании проблемы лежит и тот факт, что техника при изготовлении отличается по состоянию от техники в работе. Так что постоянно возникает вопрос, как повлияет на надѐжность переход техники из неработающего в работающее состояние. Наконец, в основании проблемы лежит различное

142