Девятая лекция
Часть 2. Надежность: теоретические основы
9. Общие сведения о надежности
План
Определения надежности, зафиксированные в отечественных и международных стандартах. Стороны надежности.
Из истории развития науки о надежности.
Достижение надежности как комплекс мероприятий. Стандартизация в области надежности.
Управление надежностью.
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 (рис. 9.1):
Рис. 9.1. Составляющие надежности
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:
Рис. 9.2. Составляющие готовности
В этом толковании понятия Н большое внимание уделено восстановлению работоспособности.
9.2. 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 [1]. 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.