6. Надежность систем

6.1. Системы как объект надежности и их основные свойства

Опыт создания и применения современной техники, в частности, средств технологического оснащения, показывает, что неопределенность потребительских свойств новых изделий, их неустойчивость не являются единственной трудностью при обосновании проектных решений и выборе технологических методов, осуществляемых на этапе создания новых технических средств. Принципиальное значение на этой стадии жизненного цикла технических средств имеет недостаточно четкое знание потребностей, которые будут реализованы на этапе применения (эксплуатации), неизвестное взаимное влияние процессов применения различных взаимодействующих технических средств, процессов обеспечения их необходимыми ресурсами (материальными, энергетическими, информационными и др.), техническим обслуживанием, ремонтом и т. п.

Таким образом, приобретает самостоятельное значение исследование различных механизмов, действующих на этапе применения (эксплуатации) создаваемых технических средств, с учетом прогноза их потребительских свойств, условий эксплуатации и других характеристик. Эти исследования проводят с использованием методов математического моделирования. При этом технические средства и связи между ними рассматривают как некоторую систему, изучаемую на основе ее математической модели. Результаты системного анализа учитывают при прогнозировании потребностей, выборе стратегии применения и обеспечения эксплуатации рассматриваемых технических средств.

Основные понятия «система», «элемент системы» были определены нами ранее (см. разд.1.1). Одним из классов систем являются технологические системы.

Технологическая система - это совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения (оборудование, оснастка), предметов производства и исполнителей, предназначенная для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.

У систем как объектов исследования различают три группы свойств, каждую из которых используют в самостоятельном аспекте исследования /1/:

1. Взаимодействие с окружающей средой (контуры обмена, «входы» и «выходы» системы). В первую очередь представляет интерес так называемый целевой контур обмена, характеризующий процесс удовлетворения потребности (выходной эффект, получаемый от системы). Для технологических систем, в частности, целевым является контур обмена потребляемых ресурсов (материальных, энергетических, трудовых, информационных) на конечный результат - готовую продукцию. Кроме целевого контура при исследовании систем могут рассматриваться и другие контуры обмена: контур обеспечения работоспособности, контур контроля за функционированием и др.

2. Внутреннее строение («структура»), под которой понимают совокупность элементов и множество устойчивых связей между ними. Понятие «структура системы» охватывает все, что определяет логику ее функционирования, позволяет формально описать, смоделировать функционирование системы и на основе этого прогнозировать ее поведение. Детальность рассмотрения структуры системы зависит от цели исследования. В простейших случаях можно ограничиться описанием целевого контура. В более сложных случаях приходится моделировать и другие контуры обмена, учитывать их иерархию, наличие в структуре системы органов (лиц), принимающих решения и т.п.

3. Общесистемные интегральные качества («поведение») системы, которые в общем случае (для сложных систем) могут не выражаться через свойства входящих в систему элементов (эмерджентные свойства):

- потребительская ценность системы (А - качество, способность системы). А-качество определяется целевым контуром и является исходным при введении понятия «эффективность». Эффективность обычно трактуют как выгодность целевого обмена (близость достигаемого результата предельно выгодному);

- самоорганизация (В - качество). Этим качеством обладают системы большой сложности, способные самопроизвольно изменять свой внутренний порядок, организованность, структуру, параметры, ориентацию поведения с целью повышения способности системы в сложной изменяющейся обстановке. Самоорганизующаяся система обнаруживает ряд способностей (и соответствующих уровней развития), принципиально важными из которых являются способность к распознаванию ситуаций, адаптации, самообучению, наличие свободы выбора решений и др.;

- управляемость (С - качество), т. е. способность системы подчиняться управляющим воздействиям;

- устойчивость (Р - качество). Устойчивость может объединять различные свойства: прочность, стойкость к воздействию возмущающих внешних факторов, защищенность, надежность, живучесть и др. Иногда выделяют информационную устойчивость (I - качество) как самостоятельную группу свойств систем.

Технологическая система как объект надежности может находиться в одном из следующих технических состояний: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельное. Технологическая система работоспособна, если она обеспечивает изготовление продукции с показателями качества и ритмом выпуска (производительностью), установленными нормативно-технической документацией при регламентированных затратах материальных, энергетических и трудовых ресурсов.

Типичные критерии отказа (нарушения работоспособности) технологических систем:

1) несоответствие показателей качества продукции установленным требованиям;

2) снижение производительности ниже установленного уровня;

3) прекращение функционирования технологической системы, вызванное отказом одного из элементов или внешними факторами (например, прекращение энергоснабжения);

4) превышение нормативов по трудоемкости, энергоемкости, расходу материалов, запасных частей и т.п.

Элементы систем с позиций анализа надежности обладают следующими особенностями:

- элемент выделяется в зависимости от поставленной задачи и может быть достаточно сложным по конструкции;

- показатели надежности элемента относятся к нему в целом, а не к его составным частям;

- возможно восстановление работоспособности элемента независимо от других элементов системы.

Выходные параметры элементов системы по их влиянию на формирование выходного параметра X_ системы в целом могут быть разделены на три группы (рис.6.1):

Х₁ - изменение выходного параметра элемента оказывает влияние только на работоспособность самого элемента;

Х₂ - параметр участвует в формировании одного или нескольких выходных параметров системы в целом; его изменения должны учитываться в совокупности с изменениями параметров данной категории других элементов системы;

Х₃ - параметр влияет на работоспособность других элементов системы; его изменение для отдельных частей системы аналогично изменению внешних условий работы.

Следует отметить, что каждый выходной параметр элемента системы может обладать одновременно несколькими из перечисленных свойств.

С точки зрения надежности системы могут иметь следующие виды структур /2/:

1. Расчлененная структура. Показатели надежности элементов систем с расчлененной структурой формируются независимо и могут быть заранее определены, так как отказы элементов в таких системах рассматриваются как случайные события, независимые от состояния других элементов системы. Все элементы расчлененных систем имеют только выходные параметры типа Х₁, т.е. влияющие лишь на работоспособность самого элемента.

2. Связанная структура. Такой вид структуры имеют системы, в которых отказы отдельных элементов являются случайными событиями, вероятность которых зависит от состояния других элементов (элементы имеют выходные параметры типа Х₃). В таких системах рассматривать элементы изолированно друг от друга и определять для них показатели надежности нельзя. Необходимо рассматривать систему в целом, а также учитывать участие каждого элемента, имеющего выходные параметры типа Х₂ , в формировании выходных параметров системы в целом.

3. Комбинированная структура. Системы с комбинированной структурой можно рассматривать как расчлененные, состоящие из подсистем со связанной структурой и независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем.

Следует отметить, что для технологических систем, применяемых в машиностроении, наиболее характерен комбинированный вид структуры.