3

СОДЕРЖАНИЕ

4

I. ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Надежность вычислительной техники и информационных систем (ВТ и ИС)» изучается студентами очного отделения направления 230100.68 «Информатика и вычислительная техника» во 2 семестре.

Надежность является одним из самых важных показателей современной техники, включая элементы и устройства вычислительной техники и информационных систем. От надежности зависят такие показатели, как качество, эффективность, безопасность, риск, готовность, живучесть. Любая техника может быть эффективной только при условии, что она имеет высокую надежность.

В рамках магистерской программы 230106 «Элементы и устройства вычислительной техники и информационных систем» изучается как аппаратная, так и программная реализация названных элементов и устройств. Изучение надежности, как одной из основополагающих компонент современной техники, предполагает как изучение классической теории надежности, относимой к элементам и устройствам вычислительной техники, так и теории надежности информационных систем. Первая часть вопроса имеет значительную теоретическую базу и располагает неоднократно апробированными методами практических расчетов.

Применительно же к информационным системам может быть дано следующее определение понятия «надежность» – это способность объекта выполнять свои функции в процессе эксплуатации. Отказы информационных систем являются событиями случайными, причем прогнозирование отказа в этом случае более вероятно, чем в классической технической системе. Типичными примерами информационных систем являются: информационнопоисковые системы, базы данных, диспетчерские системы, система банкоматов, библиотеки, телефонные сети и т.п.; все эти системы можно отнести к системам массового обслуживания.

Целью освоения дисциплины «Надежность вычислительной техники и информационных систем» является получение студентами направления 230100.68 «Информатика и вычислительная техника» (степень «магистр») основополагающих знаний в области анализа, построения альтернативных моделей и расчета характеристик надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых систем, включая элементы и устройства вычислительной техники, способов их оптимального резервирования, расчета надежности информационных систем и программного обеспечения.

Каждая из областей профессиональной деятельности (ЭВМ, системы и сети; автоматизированные системы обработки информации и управления; системы автоматизированного проектирования и информационной поддержки изделий; программное обеспечение автоматизированных систем) и объектов профессиональной деятельности магистров направления 230100.68 непосредственным образом связана с содержанием дисциплины «Надежность вычислительной техники и информационных систем (ВТ и ИС)». Вопросы надежности находят применение во всех областях профессиональной деятельности магистров IT направления 230100.68; причем в наибольшей степени они находят отражение в научноисследовательской, проектно-конструкторской и проектно-технологической деятельности.

Основными задачами дисциплины являются: формирование у студентов целостной системы знаний в области вычислительной техники и информационных систем; получение знаний об основных понятиях теории надежности; основных расчетных моделях для оценки показателей надежности элементов, устройств и систем в целом; показателях надежности информационных систем и программного обеспечения; методах обеспечения надежности.

Место дисциплины в учебном процессе: дисциплина «Надежность ВТ и ИС» относится к профессиональному циклу дисциплин; вариативная часть, дисциплина по выбору. Глубокое, соответствующее уровню магистерской подготовки, понимание работы любых элементов и устройств вычислительной техники и информационных систем невозможно без обладания определенными знаниями в области теории надежности устройств и систем, что, в итоге, позволяет успешно освоить магистерскую программу по направлению 230100.68

5

«Информатика и вычислительная техника», формирует профессиональные знания для последующей работы выпускника в сфере производства либо в научной деятельности.

Дисциплина «Надежность ВТ и ИС» базируется на входных знаниях, умениях и компетенциях, полученных студентами в процессе освоения программы ВПО уровня «бакалавриат» направления 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» по дисциплинам: «Математика», «Теория вероятностей и математическая статистика», «Основы теории надежности инфокоммуникационных систем», «ЭВМ и периферийные устройства», «Корпоративные информационные системы», а также в процессе изучения дисциплины «Элементная база и схемотехника устройств ВТ и ИС».

Полученные в ходе изучения дисциплины «Надежность ВТ и ИС» знания используются как предшествующие в дисциплинах: «Вычислительные системы», «Микропроцессорные системы», при выполнении научно-исследовательской работы магистров, а также в ходе подготовки магистерской диссертации. Профессиональная деятельность магистров непосредственным образом связана с использованием знаний, полученных в ходе изучения настоящей дисциплины.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Надежность вычислительной техники и информационных систем».

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

знать: методы оптимизации и принятия проектных решений (ПК-1); методы проектирования аппаратных и программных средств вычислительной техники (ПК-4);

уметь: разрабатывать математические модели процессов и объектов, методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ (ПК-1); использовать типовые программные продукты, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач (ПК- 4);

владеть: методами научного поиска (ПК-1); навыками самостоятельной научноисследовательской деятельности (ПК-4).

II. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

Распределение фонда времени по семестрам, неделям, видам занятий

III. СОДЕРЖАНИЕ И ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Основные термины и определения. Показатели надежности. Случайные величины и их характеристики. Оценка параметров надежности. Различные периоды работы технических устройств. Надежность в период нормальной эксплуатации; надежность в период по-

6

степенных отказов, возникающих из-за износа и старения. Совместное действие внезапных и постепенных отказов. Особенности надежности восстанавливаемых изделий.

Надежность (общая) – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.

Первостепенное значение надежности в технике связано с тем, что уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизации производства, интенсификации рабочих процессов и транспорта, экономии материалов и энергии.

Современные технические средства состоят из множества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. Отказ в работе хотя бы одного ответственного элемента сложной системы без резервирования может привести к нарушению работы всей системы.

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, простою оборудования, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и человеческими жертвами.

При недостаточной долговечности машины изготовляют в большем, чем нужно, количестве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию. Физический срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа.

Быстрое развитие науки о надежности в период научно-технической революции связано: с автоматизацией, многократным усложнением машин и их соединением в крупные комплексы; задачами безлюдной технологии; непрерывным форсированием машин, уменьшением их металлоемкости, повышением их силовой, тепловой, электрической напряженности.

Различают изделия невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем.

Основные понятия и термины надежности стандартизованы.

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции (с параметрами, установленными в технической документации). Работоспособность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели, например повреждение окраски и т.д.

Исправность – состояние изделия, при котором оно удовлетворяет всем не только основным, но и вспомогательным требованиям. Исправное изделие обязательно работоспособно.

Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания, приводящие к отказам.

Отказ – полная или частичная утрата работоспособности. Различают отказы функционирования, при которых выполнение своих функций рассматриваемым элементом или объектом прекращается, и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах.

Причины отказов подразделяют на случайные и систематические. Случайные причины

– это предусмотренные перегрузки, дефекты материала и погрешности изготовления, не обнаруженные контролем, ошибки обслуживающего персонала или сбои системы управления. Примеры: твердые включения в обрабатываемую среду, крупные неровности дороги, наезды на препятствия, недопустимые отклонения размеров заготовок или их неправильный зажим, раковины, закалочные трещины. Случайные факторы преимущественно вызывают отказы при действиях в неблагоприятных сочетаниях.

Систематические причины – это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: влияние среды, времени, температуры, облучения, коррозия, старе-

7

ние, нагрузки и работа трения – усталость, ползучесть, износ, функциональные воздействия, засорения, залипания, утечки.

В соответствии с этими причинами и характером развития и проявления различают отказы внезапные, постепенные по развитию и внезапные по проявлению и постепенные. Внезапные отказы вследствие своей неожиданности более опасны, чем постепенные. Постепенные отказы представляют собой выходы параметров за границы допуска в процессе эксплуатации или хранения.

По причинам возникновения отказы можно также разделить на конструкционные, вызванные недостатками конструкции, технологические, вызванные несовершенством или нарушением технологии, и эксплуатационные, вызванные неправильной эксплуатацией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей или не связаны с разрушением. В соответствии с этим отказы устраняют: заменой деталей, регулированием или очисткой.

По своим последствиям отказы могут быть легкими – легкоустранимыми, средними, не вызывающими разрушений других узлов, и тяжелыми, вызывающими тяжелые вторичные разрушения, а иногда и человеческие жертвы.

По возможности дальнейшего использования изделия отказы бывают полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может частично использоваться, например, с неполной мощностью или на пониженной скорости.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в порядке технического обслуживания, в порядке среднего или капитального ремонта и по месту устранения – отказы, устранимые в эксплуатационных и стационарных условиях, что особенно существенно для транспортных машин, в частности для автомобилей.

Встречаются также самоустраняющиеся отказы, например, в системах автоматической подачи заготовок на станках.

По времени возникновения отказы можно подразделить на приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с попаданием на сборку дефектных элементов; при нормальной эксплуатации (за период до появления износных отказов); износовые, вызванные старением.

Рассмотрим свойства изделий в аспекте проблемы надежности.

Безотказность (или надежность в узком смысле слова) – свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей или с перерывом в работе большого комплекса машин, с остановкой автоматизированного производства или с браком дорогого изделия.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безотказности практически совпадают.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта. С усложнением систем все труднее становится находить причины отказов и отказавшие элементы. Так, в сложных электрогидравлических системах станков поиск причин отказа может занимать более 50 % общего времени восстановления работоспособности. Важность ремонтопригодности машин определяется огромными затратами на ремонт машин в народном хозяйстве.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Практическая роль этого свойства особенно велика для приборов.

Литература: [1], 7-40; [3], с. 18-131.