Общие положения и терминология 1 страница

Вся промышленная продукция, в том числе и АС, характеризуются таким показателем как качество, представляющим собой совокупность свойств продукции, обуславливающих её пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с её назначением.

Надёжность является фундаментальным комплексным свойством, входящим в понятие качество и определяется как свойство объекта (изделия) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения и транспортирования.

Основные положения теории надёжности являются фундаментом для разработки вопросов надёжности в различных областях техники, включая электронные вычислительные средства (ЭВС).

Основные положения базируются на ряде принципов:

1) Надёжностные характеристики любого промышленного изделия закладываются на стадии разработки технического задания (ТЗ), формируются при проведении опытно-конструкторских работ, реализуются в процессе производства на основе стабильных отработанных технологических процессов и далее рационально расходуются потребителем в различных условиях эксплуатации.

2) Надёжность является неотъемлемым внутренним свойством изделия, закладываемым при разработке. При производстве, эксплуатации, ремонте изделия уровень надежности, заложенный при разработке, никакими действиями не может быть превышен. Ни контрольные операции в процессе производства, ни отбраковочные, приёмо-сдатoчные и другие виды испытаний надёжность не увеличивают.

3) Надёжность любого сложного изделия представляет собой совокупность нескольких составляющих:

· надёжность элементной базы;

· материалы, применяемые при конструировании изделия;

· определяется схемой построения данного изделия, его архитектурой, схемотехническими решениями, выбранными электрическими и тепловыми режимами узлов и блоков, конструктивным оформлением, защищённостью от внешних воздействий;

· связана с условиями и правилами эксплуатации изделия;

· связана с соблюдением технологии изготовления изделия.

Терминология в области надёжности регламентирована ГОСТ 27.002-89. Терминология включает ряд положений:

1. Промышленные изделия могут быть отнесены к восстанавливаемым объектам.

2. Для описания состояния изделий используют такие понятия как исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное и предельное состояние изделий.

Под исправным состоянием подразумевается состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям нормативно-технической или конструкторской документации (НТД).

Работоспособное состояние – это состояние изделия, при котором значение всех параметров характеризующих его способность выполнять заданные функции соответствует НТД. При этом допускаются повреждения изделия, например, нарушением маркировки, вмятины или царапины на корпусе и другие, не влияющие на его параметры.

Неисправное состояние связано с несоответствием изделия хотя бы одного из параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции требованием НТД.

Предельным состоянием является состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима и восстановление его работоспособности либо невозможно, либо нецелесообразно. Предельному состоянию соотносят критерии или совокупность признаков предельного состояния, устанавливаемых НТД.

3. Фундаментальным понятием в теории надёжности является

определение отказа как события, заключающегося в нарушение работоспособного состояния.

По характеру наступления отказа делят на постепенные и внезапные.

Постепенные отказы характеризуются наличием, по меньшей мере, тенденции или закономерности заданного эксплуатационного параметра изделия за время предшествующее моменту возникновения отказа. Возможность изменения параметров и приделы этих изменений учитываются критериями отказов. В случае постепенных отказов критериями отказов являются указываемые в НТД значения изменения параметров после достижения, которых изделие считается отказавшим.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров изделия. Следует иметь в виду, что понятие внезапного отказа относительно условно в том смысле, что при более глубоком рассмотрении сущности процессов связанных с возникновением отказа можно найти проявление таких постепенных изменений в объекте, которые закономерно предшествуют возникновению отказа, классифицируемого внезапным.

Отказы элементов, возникающие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре, называется независимыми.

Однако, весьма часты случаи, когда элементы, узлы и ЭВМ в целом могут выходить из строя в результате повреждения других элементов. В этом случае отказы называют зависимыми.

Особо сложно распознать так называемые перемежающиеся (исчезающие) отказы, т.е. многократно возникающие и самоустраняющиеся отказы одного и то же характера. К перемежающимся отказам иногда не совсем правильно относят так называемые сбои ЭВМ, которые могут быть вызваны колебаниями напряжения питания, всплесками электромагнитного напряжения в окружающей среде, радиационными воздействиями, вызывающими возникновение ионизационных токов в элементах ЭВМ.

Отказы в виде сбоев, как правило, самоустраняются или ликвидируются при незначительном вмешательстве оператора.

Различают:

1) конструкционные отказы, происходящие в результате ошибок и нарушений правил и норм конструирования в период разработки

2) производственные отказы, т.е. вызванные несовершенством процесса изготовления или нарушением технологий производства ЭВС.

3) эксплуатационные отказы, связанные с условиями применения ЭВС.

4. Временной характеристикой промышленных изделий, в том числе и ЭВС, является наработка или продолжительность работы, суммируемая в часах, при этом ЭВС может работать непрерывно или с перерывами, не обусловленными её техническим состоянием.

Во втором случае различают непрерывную и суммарную наработку.

5. Кроме суммарной наработки применяют другую временную характеристику, а именно наработка до отказа (минимальная наработка). Она представляет собой наработку изделия от начала эксплуатации до первого отказа.

6. Наработка между отказами, которая представляет собой интервал времени от окончания работоспособного состояния ЭВС после отказа до возникновения следующего отказа.

7. Ресурс объект (изделия) характеризует суммарную наработку от начала эксплуатации либо после определенного вида ремонта до наступления предельного состояния, при котором дальнейшая эксплуатация или восстановительный ремонт становится иррациональным.

8. Срок службы. Представляет собой календарную продолжительность от начала эксплуатации либо возобновление эксплуатации объекта после ремонта изделия до перехода в предельное состояние.

9. Срок сохраняемости – это календарная продолжительность хранения и/или транспортирования изделия в течение, и после которого сохраняются значение показателей долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах.

10. Время восстановления – представляет собой продолжительность восстановления работоспособного состояния изделия.

Это время отсчитывается либо непрерывно, либо из него по определённым признакам исключаются интервалы времени не обусловленные непосредственно выполнением исправительных работ. В связи с этим различают общее время восстановления, непосредственно затраченной на устранение неисправности.

Показатели надёжности

Из определения надёжности следует, что количественно выразить такое свойство изделий как сохранения во времени в неизменном виде некоторой совокупности параметров в каких-либо единицах не возможно, как это делается при определении, например, массы, объёма и т.п. Поэтому для количественной оценки надёжности применяются вероятностные величины. Применение вероятностного подхода к оценке надёжности диктуется и тем обстоятельством, что ЭВС должны выполнять свои функции при многофакторном воздействии режимов и условий применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования, сочетания и действие которых носят случайный характер.

Показатели надёжности характеризуют в какой степени конкретному изделию присущи определённые свойства, обуславливающие его надёжность. Показатели надёжности могут иметь размерность или характеризуются безразмерными величинами.

Показатель надёжности, характеризующий одно из свойств составляющих надёжность изделия, называют единичным.

Комплексные показатели надёжности характеризуют совокупность свойств составляющих надёжность объекта.

Качество

Единичные показатели надёжности

Показатели безотказности

Безотказностью называют свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Основным показателем безотказности является безотказность работы, представляет собой вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет. Вероятность безотказной работы определяется предположением, что в начальный момент времени исчисления заданной наработки объект был работоспособен. Ещё одним показателем безотказности является средняя наработка до отказа, которая представляет собой мат. Ожидание наработки до первого отказа. Этот показатель применим как для невосстанавливаемых, так и для восстанавливаемых объектов. Широко применяемым показателем для оценки надёжности объекта является интенсивность отказа, т.е. условная плотность вероятности возникновения отказа объекта определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возникал.

Показатели долговечности

Под долговечностью понимается свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Показатели долговечности следующие:

1) Средний ресурс – мат. Ожидание технического ресурса объекта.

2) Средний срок службы – это мат. ожидание срока службы.

При формировании показателей долговечности принято указывать вид действия после наступления предельного состояния объекта, например, средний ресурс до капитального ремонта. Если предельное состояние обуславливает окончательное снятие объекта с эксплуатации, то показателями долговечности является полный средний ресурс, и полный срок службы. В полный срок службы входят продолжительность всех видов ремонта. Рассмотренные показатели долговечности применяются для описания состояния как восстанавливаемых и невосстанавливаемых.

Показатели сохраняемости

Под сохраняемостью понимают свойство объекта сохранять в заданных пределах значение параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортирования. Продолжительность сохраняемости характеризуется сроком сохраняемости, представляющем собой календарную продолжительность хранения и транспортирования объекта после которого сохраняется значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах.

Основной показатель сохраняемости – средний срок сохраняемости, т.е. мат. ожидание срока сохраняемости. Показатели сохраняемости применимы для оценки надёжности как невосстанавливаемых, так и восстанавливаемых объектов.

Дополнительные единичные показатели надёжности для восстанавливаемых объектов.

1) Средняя наработка на отказ, которая представляет собой отношения наработки объекта к мат. ожиданию числа отказов данного объекта в течение этой наработки. При вычислении этого показателя учитываются и первый отказ объекта, и все последующие отказы происходящие после ремонтов. Показатель означает наработку объекта, приходящуюся в среднем на один отказ.

2) Параметр потока отказов – мат. ожидание отношения числа отказов объекта за конечную наработку к значению этой наработки.

3) Ремонтопригодность – это приспособленность объекта к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния и ремонта. Ремонтопригодность представляет собой совокупность технологичности при техническом обслуживании и ремонтной технологичности объекта. Затраты времени и труда при этом определяются в заданных условиях выполнения операций технического обслуживания и ремонта в части организации, технологии, материально-технического обеспечения, квалифицированного персонала и т.п.

Показатели ремонтопригодности включают:

· вероятность восстановления – вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданного значения

· среднее время восстановления – мат. ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа.

· интенсивность восстановления – условная плотность вероятности восстановления работоспособного состояния объекта определяется для рассмотрения момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

· средняя трудоёмкость восстановления – мат. ожидание трудоёмкости восстановления объекта после отказа.

Комплексные показатели надёжности

Восстанавливаемые объекты характеризуются ещё и комплексными показателями, а именно:

1) Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени кроме планируемых периодов, в течение которого применение объекта по назначению не предусматривается. В отличие от единичных комплексные показатели надёжности количественно характеризуют не менее двух свойств составляющих надёжность.

, где К_г – коэффициент готовности, Т₀ – средняя наработка на отказ, Т_в – среднее время восстановления объекта.

2) Коэффициент технического использования – это отношение мат. ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к мат. ожиданию суммарного времени ожидания объекта в работоспособном состоянии и простоя, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации. Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения относительно рассматриваемой продолжительности эксплуатации.

Математическое представление показателей надёжности

1. Вероятность безотказной работы Р(t) в интервале от 0 до t может быть определена:

Р(t) = 1 – F(t) (1)

Где F(t) – интегральная функция распределения наработки до отказа объекта.

2. Кроме понятия вероятности безотказной работы используют понятие вероятности отказа Q(t), определяя его следующим образом: вероятность отказа есть вероятность того, что объект, будучи работоспособным, в каждый момент времени откажет в течение заданного промежутка с вероятностью Q(t), вероятность отказа и интервалом времени от 0 до t соответствует формуле:

Q(t) = F(t) = 1 – P(t) (2)

3. Для описания значений показателей надёжности используют дифференциальную функцию – плотность распределения наработки до отказа, которая определяется по формуле:

F(t) = F(t) = Q(t) (3)

4. Наиболее часто используемой в практике дифференциальной характеристикой безотказности является интенсивность отказа , под которой понимается условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая для рассмотренного момента времени при условии, что до этого момента отказ не возникал. Определяется формулой:

= (4)

5. Также широко используемой характеристикой является средняя наработка на отказ, определяемая по формуле:

T₀ = (5)

6. Ещё одной важной характеристикой является среднее время восстановления работоспособного состояния Т_в, которое определяется как среднее время вынужденного перемаментируемого простоя, вызванное искажением и устранением первого отказа. Этот показатель рассчитывается по результатам длительной эксплуатации объекта и определяется формулой:

Т_в = (6)

Где m – число восстановления объекта за период наблюдения;

t_вi – время восстановления при i-том отказе.

Р(t) → 0 при t→ ∞, Q(t)→ 1 при t→ ∞

(7)

Р(t) = при = const

Формула (7) имеет название «экспоненциальный закон надёжности». Следует понимать что «экспоненциальный закон надёжности» работает для практически важного случая, когда = const. Допущение =const оправдано только для стационарного участка работы объекта (время нормальной работы Т_нр). Вместе с тем условие = const далеко не всегда выполняется в частности для программно-аппаратных комплексов. Кроме того, изменяется в зависимости от условий и режимов работы объекта. Для резервированных систем и систем с неодновременно работающими элементами «экспоненциальный закон надёжности» не сохраняется даже и тогда, когда отдельные элементы подчиняются «экспоненциальному закону надёжности».

Рис. Зависимость интенсивности отказов компонентов информационной системы

(КТС и ПО) от времени

Расчётные модели для оценки показателей надёжности

(структурная надёжность КТС)

Структурная надёжность КТС информационной системы (ИС) представляет собой её результирующую надёжность при известной структурной схеме и известных значениях надёжности всех компонентов, входящих в данную ИС.

Для определения количественных характеристик структурной надёжности составляют структурную схему КТС ИС, указывают в ней компоненты (узлы компьютера, компьютеры и другое оборудование в целом) и связи между ними. Затем производят анализ структурной схемы, выделяя компоненты, определяющие выполнение основной функции данной части ИС или ИС в целом.

При построении структурных схем используют последовательное, параллельное и последовалельно-параллельное включение. А для определения их надёжности используют простейшие универсальные модели надёжности, которыми являются последовательные и параллельные схемы соединения из независимых компонентов.

Рис. Разновидность структурных схем надёжности.

а) последовательное включение элементов;

б) параллельное включение элементов;

в) последовалельно-параллельное включение элементов.

P2(t)

P_2m(t)  

P₂(t)

		Pm(t)		P1m(t)		Pnm(t)

а б в

а) Особенностью моделей является условие работоспособности, суть которой состоит в том, что система остаётся работоспособной, если все элементы модели исправлены. При выходе из строя хотябы одного компонента система приходит в неисправное состояние. На основании теоремы умножения вероятностей независимых событий формируется правило: вероятность безотказной работы последовательной модели надёжности равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных её компонентов.

Р_пос(t) = (1а)

Вероятность появления в системе отказа определяется по формуле:

Q_пос(t) = 1 - (2a)

При условии, что модель состоит из одинаковых элементов, имеющих равные вероятности безотказности работы Р_к(t) формула (1а) и (2а) преобразуется:

Р_пос(t) =

Q_пос(t)=1 - (3a)

б) Параллельная модель надёжности отображает систему, состоящую из двух и более независимых компонентов, соединённых параллельно. Условие работоспособности модели состоит в том, что система остаётся работоспособной, если хотябы один из компонентов находится в исправном состоянии. На основании этого свойства с использованием теоремы умножения вероятностей независимых событий формируется правило: вероятность отказа параллельной модели надёжности равна произведению вероятностей отказа отдельных её элементов.

Q_пар(t) = (1б)

P_пар(t) = 1 - (2б)

В случае одинаковой вероятности безотказной работы всех элементов параллельной модели, т.е. при P_i(t) = P_k(t) формулы (1б) и (2б).

P_пар(t) = 1 - ^m (3б)

Q_пар(t) = ^m

в) Рассмотренные модели являются основой для построения методов резервирования. Под резервированием понимают способы обеспечения надёжности объекта за счёт использования дополнительных средств и возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Различают следующие разновидности резервирования:

· Нагруженный (горячий) резерв;

· Облегчённый (тёплый) резерв;

· Ненагруженный (холодный) резерв.

Под нагруженным резервом понимают резерв, содержащий один или несколько резервных элементов находящихся в режиме основного элемента. При облегчённом резерве резервирующие элементы находятся в ждущем режиме с нагрузкой существенно меньшей, чем у основного элемента. Рассмотренные разновидности резервов с точки зрения подключения к основному элементу относятся к постоянному резервированию и для включения в работу в качестве резервных элементов при выходе из строя основного элемента не нуждаются в переключающих устройствах.

При ненагруженном резерве резервные элементы находятся в обесточенном состоянии. Для такой формы резервирования в схеме резервирования должны быть предусмотрены переключающие элементы, используемые при отказе основного элемента. При этом подключение резервных элементов может быть осуществлено с замещением. Возможна и другая схема подключения называемая скользящим резервированием, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов.

Резервирование – одно из основных конструктивных средств обеспечения заданного уровня надёжности объекта при недостаточно надёжных его компонентов. Цель резервирования – обеспечить безотказность объекта в целом, т.е. сохранить его работоспособность при возникновении отказов одного или нескольких его компонентов. Наряду с резервированием путём введения дополнительных компонентов в состав объекта находят применение и другие виды резервирования, в том числе временное резервирование, информационное и функциональное резервирование. Два первых вида резервирования основано на использовании резервов времени и информации.

Дата добавления: 2015-04-30