УМК ВиН correp / ЛН / Введение в курс

Теоретические основы надежности

Список рекомендуемой литературы

а) основная литература:

1. Александровская Л.Н., Афнасьев А.А., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем. – М.: Логос, 2003. – 208 с.

2. Острейковский В.А. Теория надежности. - М.: Высш. шк., 2008. – 463 с.

3. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. – СПб.: Питер, 2005. – 478 с.

4. Чернышев А.А. Основы конструирования и надежности ЭВС. – М.: Радио и связь, 1998. - 448 с.

5. Антонов А.В., Никулин М.С. Статистические методы в теории надежности. - М.: Высш. шк., 2009. - 528 с.

6. Взаимозаменяемость и надежность: методические указания к лабораторным работам / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: В.П. Федоров, Ю.В. Рябцов, Ю.М. Цыцаркин. - Рязань, 2008. - 24 с.

б) дополнительная литература:

1. Труханов В.М. Надежность технических систем типа подвижных установок на этапе проектирования и испытаний опытных образцов. – М.: Машиностроение, 2003. - 320 с.

2. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В.С.Королюк и др. - М.: Наука, 1985.

3. Федоров В.К. Контроль и испытания в проектировании и производстве РЭС. - М.: Техносфера, 2005.

4. Ямпурин Н.П., Баранова А.В. Основы надежности электронных средств. – М.: Изд. Центр “Академия”, 2010. – 240 с.

Введение. Об определении надежности. Краткий экскурс в историю развития теории надежности. Характеристика основных разделов курса, обзор решаемых проблем. Достижение надежности как комплекс меропрятий; программа обеспечения надежности. Роль стандартов в области надежности.

Вв1. Об определении надежности (Н). Слово “надежность” довольно хорошо знакомо. Говорят: “надежная опора…”, “груз надежно закреплен”, “результат измерения (вычисления) надежен”… А можно ли говорить о надежной работе какой-то системы, теряющей устойчивость в процессе работы? (Пример с системой регулировния процесса горения в печи: потеря устойчивости и – взрыв).

Для технических систем справедлив следующий тезис. Если нет устойчивого образования из связанных между собой элементов, нет смысла рассматривать другие свойства этой системы, нельзя говорить о ее качестве. Для надежной системы характерно именно устойчивое сохранение признаков и параметров, определяющих способность этой системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях.

А теперь перейдем к определениям Н, зафиксированным в отечественных и международных стандартах. Согласно отечественному ГОСТ 27.002-89 надежность (Reliability) есть способность изделия выполнять требуемые функции в заданных условиях в течение заданного периода времени. В примечаниях к этому стандарту выделяют четыре составляющих Н свойства:

По стандарту МЭК (IEC) надежность (Dependability) – собирательный термин, применяемый для описания свойства готовности (системы, объекта) и влияющих на готовность свойств безотказности, ремонтоприглдности и обеспечения тех. обслуживания/ ремонта:

В этом толковании понятия Н большое внимание уделено восстановлению работоспособности.

Вв. 2. В истории развития техники борьба за надежность (Н) занимает важное место. Можно вспомнить яркие примеры из истории авиации, энергетики (не только атомной), строительства и, конечно, радиоэлектроники и вычислительной техники.

Так, средняя наработка до отказа электронных ламп (элементной базы ЭВМ 1-го поколения) составляла ≈ 10³ ÷ 10⁴ час; работа таких ЭВМ была возможна лишь благодаря постоянным профилактическим работам с заменой ламп. Для созданных к концу XX в. интегральных микросхем показатель средняя наработка до отказа вырос до ≈ 10 ⁹ час.

Первые работы по теории Н появились в 20–е – 30-е гг применительно к Н механических систем. Именно в механике впервые попробовали применять теоретико-вероятностные методы расчета запаса прочности объектов.

Первые исследования Н систем автоматики и радиоэлектроники были проведены в период с конца 40-х до начала 60-х годов XX в. Этому новому направлению в технике уделили внимание многие выдающиеся ученые, в частности А.И.Берг в СССР, за рубежом – К.Шеннон, Дж. Нейман). Были предложены оценки Н по числу зафиксированных отказов на множестве объектов в течение определенного времени. Стали решать проблему установления причин отказов оборудования. Была поставлена и стала решаться задача создания надежных систем из недостаточно надежных элементов.

Период бурного развития теории Н пришелся на 60-е гг прошлого столетия. При оценке Н стали учитывать влияние внешних эксплуатационных факторов (климатических и механических воздействий, электромагнитных полей), а также внутренних факторов, связанных с выбором режимов работы элементов. Серьезное внимание было обращено к развитию методов испытаний на надежность. В те же годы были сформулированы и стали решаться задачи оптимизации Н объектов.

Наиболее полное воплощение результаты исследований в области Н нашли при подготовке КА по программе “Аполлон”. В процессе испытаний были выявлены многочисленные дефекты, которые (в случае их неустранения) привели бы к отказам и неудаче с вероятностью, близкой к 100 %.

К 80-м гг XX в. подошли к оценке и прогнозированию Н сложных систем. Особенность поведения сложных систем с точки зрения их надежности в том, что при отказе отдельных элементов и даже целых подсистем они могут не терять полностью работоспособность, а только функционировать менее эффективно (с ухудшением каких-то характеристик). Сложные системы обладают функциональной избыточностью; для них характерно распределение выполняемых функций между множеством элементов и резервирование. Так высокая надежность Интернет обусловлена тем, что работа сети поддерживается множеством компьютеров, рассредоточенных по всему миру, причем у сети нет центра, уничтожение которого нарушило б всю деятельность сети.

Итак, сложилась научная дисциплина “Теория надежности”, изучающая:

• критерии надежности (Н), характеристики Н;

• методы прогнозирования и оценки Н;

• методы повышения Н;

• закономерности возникновения отказов с учетом влияния внешних и внутренних факторов, а также особенностей эксплуатации;

• методы испытаний объектов на Н;

• методы моделирования Н сложных систем.

Все перечисленные темы найдут отражение в нашем курсе. Стоит сказать о важой роли вероятностного подхода в решении перечисленных проблем. Выразить характеристики Н в определенном и неизменном виде невозможно!

Особенность исследования Н связана с тем, что речь должна идти не о надежности вообще, а надежности аппаратурной, надежности программной, надежности функциональной. Каждый вид Н имеет свои отличительные черты. Так, если аппаратурная Н с течением времени ухудшается, то Н программного обеспечения – наоборот – с течением времени может повышаться (улучшаться). Функциональную Н оценивают по возможности (вероятности) выполнения системой своих функций. Например, метрологическая надежность средства измерения определяется вероятностью сохранения его метрологических характеристик в заданных пределах в течение заданного периода времени.

Вв 3. Достижение надежности как комплекс мероприятий.

В любом ТЗ на разработку устройства, системы всегда записываются требования по надежности. Можно привести примеры хотя бы из дипломного проектирования.

Надежность закладывается при проектировании, реализуется в производстве и поддерживается при эксплуатации изделий.

То есть вопрос о будущей Н решается на этапах жизненного цикла изделий, начиная с составления ТЗ. Рассмотрим несколько подробнее:

• замысел, подбор материалов;

• разработка технического предложения (аванпроект);

• эскизное проектирование (рарабатываемой документации присваивается литера “Э”);

• изготовление и испытание макета;

• корректировка конструкторской документации (КД) по результатам испытаний опытного образца (или опытной партии изделий); КД присваивается литера “О”;

• приемочные испытания;

• корректировка КД с присвоением докум. Литеры “О₁”;

• разработка и утверждение документации для организации производства (рабочей документации);

• производство;

• испытания;

• техническое обслуживание в процессе эксплуатации.

Неотъемлемой частью системы обеспечения качества (в соответствии со стандартами ИСО 9001 – 9003) является система обеспечения надежности. Принципы функционирования такой системы устанавливаются стандартом ИСО 9000-4:93/ МЭК 300-1:93 “Руководство по управлению программой обеспечения общей надежности”. Центральными понятиями стандарта являются : программа обеспечения общей надежности (ПОН) и план обеспечения общей надежности. Под “общей Н” понимается собирательный термин, используемый для определения характеристики эксплуатационной готовности и влияющих на нее факторов, а именно: характеристик Н, ремонтопригодности и обеспечения технического обслуживания / ремонта. Термин используется для общих описаний без количественной оценки.

ПОН содержит перечень работ и мероприятий по обеспечению Н, в частности:

• организационно-технические мероприятия;

• расчетно-теоретические работы;

• исследовательские, экспериментальные и испытательные работы;

• производственно-технологические работы;

• мероприятия по информационногму обеспечению (сбору данных о всех процессах, связанных с созданием системы, и анализу этих данных).

Важной составной частью ПОН является анализ дефектов разрабатываемой системы.

На каждой стадии создания изделия ПОН содержит перечень работ, проводимых на следующей стадии, и предварительный перечень работ для более поздних стадий. Так ПОН на стадии “техническое предложение” содержит полный перечень работ по обеспечению Н, планируемых на стадии “Эскизный проект”.

Вв. 4. Стандартизация в области надежности

• 1965 г.: при МЭК (IEC) создан ТК “Безопасность и ремонтопригодность”

1990 г. организована объедин. группа “Качество-надежность-статистика”(КНС), в задачу которой входит координация работы комитетов по Н (ТК 56 МЭК), по управлению качеством (комитет ТК 176 ИСО) и по применению статистических методов (ТК 69 ИСО).

В 1993 г. Был издан стандарт МЭК 300-1 / ИСО 9000-4, положивший начало гармонизации стандартов МЭК по управлению Н (серия 300) и стандартов ИСО по управлению качеством (серия 9000).

В Госстандарте РФ также есть комитет, аналогичный ТК 56 МЭК -

- ТК 119 “Надежность в технике”.

Действуют стандарты группы 27 “Надежность в технике”, а также ряд других стандартов, касающихся аспектов Н крупных групп однородной продукции.

Например, ГОСТы группы 34 содержат требования к надежности автоматизированных систем (АС). Так ГОСТ 34.602-89 в разделе “Требования к системе” содержит перечень требований по Н, включающий:

1. состав и количественные значения показателей Н АС и ее подсистем;

2. перечень аварийных ситуаций, по которым должны быть регламентированы требования по Н; значения соответствующих показателей;

3. требования к Н технических средств и ПО;

4. требования к методам оценки и контроля показателей Н на разных стадиях создания АС.

Ныне вместо ГОСТ 34 при разработке ПО предлагается руководствоваться ст-том ИСО/МЭК (ISO/IEC) 12207.

Вв 5. Управление надежностью

Задача - определить области значений показателей качества разрабатываемого объекта, при которых его эффективность максимальна при заданных затратах;

либо минимальны затраты при некоторой заданной эффективности объекта (у-ва, системы).

{Показатели качества כ показатели Н}