Актуальность проблемы надежности сложных систем

Острота проблемы надежности со временем возрастала по причинам:

§ роста сложности ТС, включающих до 104 – 106 отдельных элементов;

§ повышения интенсивности режимов работы систем или отдельных их элементов: при высоких температурах, высоких давлениях, высоких скоростях;

§ сложности условий, в которых эксплуатировались системы (низкие или высокие температуры, высокие влажность, вибрации, ускорения и радиация);

§ высоких требований, предъявляемых к качеству работы систем (высокие точность и эффективность);

§ повышения ответственности функций, выполняемых системой, высокой технической и экономической ценой отказа;

§ полной или частичной автоматизации и исключения непосредственного участия человека при выполнении системой ее функции, исключением непрерывного наблюдения и контроля со стороны человека.

Режимы работы систем характеризуются высокими температурами и давлениями, например, высокими температурами в камерах реактивных двигателей, высокими скоростями в современных турбореактивных двигателях, гироскопах и других элементах и приборах.

Сложность условий, в которых эксплуатируются современные системы, характеризуется работой в широких диапазонах температур от –70 до +70 °С, наличием вакуума, высокой (98–100 %) влажностью, вибрациями с большой амплитудой и широким спектром частот, наличием линейных ускорений до 10–300 (1000) и даже 20 000g, наличием высокой солнечной и космической радиации.

Это привело к тому, что частота отказов может возрастать в 25–100 раз или даже в 500–1 000 раз по сравнению с частотой отказов при работе в условиях лабораторий.

Сложность аппаратуры и тяжелые эксплуатационные условия затрудняли контроль над исправностью аппаратуры, входящей в систему, что не давало возможности своевременно выявить процессы, приводящие к отказу, и предупредить его появление.

Ответственность функций, выполняемых современными системами, связана с тем, что отказ их приводит к крупным техническим и экономическим потерям. В ряде случаев это может вызвать катастрофические последствия, например, отказ элемента стоимостью в 5 долларов вызвал в США неудачу в запуске спутника стоимостью8106 долларов; отказ в работе теплового экрана вызвал аварию стоимостью в 20106 долларов; ущерб из-за отказа аппаратуры автоматического управления производственным процессом в химической промышленности в сотни раз превышает стоимость самой аппаратуры управления и приводит к уничтожению оборудования и гибели людей; отказ релейной защиты в энергосистеме северо-восточной части США вызвал остановку энергоснабжения ряда штатов и привел к общим убыткам 500106 долларов.

Одновременно с развитием электроники, авиационной и других видов техники росли требования уменьшения массы и габаритов аппаратуры, требования к сокращению сроков проектирования и внедрения. Интуитивный и эмпирический подходы перестали удовлетворять требованиям практики. Возникли окончательные предпосылки для создания новой научной дисциплины – теории надежности, которая исследует и научно обосновывает общие методы, используемые при проектировании, изготовлении, приемке и эксплуатации систем для обеспечения максимальной эффективности отих использования.

Признание научно-технического направления

В 50-е годы XX века окончательно получило признание новое научно-техническое направление «надежность». Выдающаяся роль в этом принадлежит А.И. Бергу, Н.Г. Бруевичу, Б.В. Гнеденко, В.И. Сидорову, Б.С. Сотскову. Основные факторы, гарантирующие специфику этапов этого направления, условно разбиваются на три группы.

К факторам 1-й группы, которые характеризуют исходные условия развития на каждом этапе и актуальность развития направления, относятся уровни сложности создаваемых систем, уровень надежности используемых готовых элементов и изученность характеристик материалов и элементов, изменчивость и изученность условий эксплуатации, объем производства создаваемых систем и ответственность решаемыхими задач.

Сложность системы охарактеризуется минимальным числом элементов, принципиально позволяющих ей выполнять все возложенные на нее функции. Для одного класса систем, при сохранении примерно постоянного соотношения между числом элементов, массой, габаритами, энергопотреблением, производительностью, любой из этих параметров может быть использован для сравнения сложности систем. При этом рассматривается минимизированная структура системы, лишенная всех видов резерва.

Для систем с резервированием необходимым показателем является коэффициент резервирования. Для структурного резервирования он характеризуется отношением общего числа элемента к числу элементов минимизированной структуры (усредненная кратность резервирования), для функционального резервирования – отношением номинальной производительности к минимально необходимой и т.п.

Трудности обеспечения надежности конкретной создаваемой системы в первую очередь определяются её сложностью и уровнем безотказности элементов, из которых она создается. Для восстанавливаемых систем существенными являются характеристики ремонтопригодности. Так, для многих типичных случаев радиоэлементов безотказность их характеризуется интенсивностью отказов (l - характеристикой), а ремонтопригодность – интенсивностью восстановления (μ-характеристикой). Характеристики ремонтопригодности определяются как свойствами самих элементов, так и уровнем организации системы, в которой они применяются. В свою очередь, возможности применения элементов и материалов в системах с различными уровнями организации во многом зависят от степени изученности характеристик элементов и материалов. Общеизвестен факт, что для элементов, вероятность безотказной работы которых подчиняется экспоненциальному закону, теряют смысл профилактические замены, так как надежность исправного в данный момент элемента в этом случае не зависит от предыстории, т.е. от предыдущей наработки. Но, во-первых, это положение верно для интервала функционирования, меньшего долговечности элемента. Во-вторых, картина меняется, если для элементов изучены и установлены признаки приближения отказового состояния, даже если эти признаки позволяют предсказывать не все виды возможных отказов. Следовательно, дополнительная информация о долговечности элементов или признаках приближения отказов позволяет более использовать эти элементы в системах с обслуживанием.

Так как информация о воздействующих факторах необходима разработчику для выбора мер защиты ТС и человека, определяющими являются не абсолютные значения величин этих факторов, а их соотношения с защитными способностями элементов. Более того, для средств пассивной и постоянной защиты определяющими являются максимально достижимое значение нагрузки, среднее значение, а скорость изменения фактора может не оказывать влияния на скорость решения задачи. При использовании более гибких активных средств защиты расходования энергии (или других ресурсов) на регулирование, стабилизацию условий эксплуатации связано с текущим уровнем воздействий, а, следовательно, существенное значение приобретает динамическая изменчивость факторов.

В процессе создания систем изученность воздействующих на ее элементы факторов возрастает за счет экспериментальной проверки взаимного влияния элементов и эффективности средств защиты, уточнения воздействий на элементы при изготовлении и контроле. В процессе применения уточняются характеристики воздействий на систему.

Как правило, степень ответственности задач, решаемыхсистемами, может быть оценена величиной ущерба из-за невыполнения этих задач. В ряде случаев, когда дело касается морального ущерба или безопасности людей, количественная оценка затруднена. Ответственность решаемых системами задач определяет уровень обоснованных требований к надежности систем, а, следовательно, требований к развитию направления «надежность».

Всеми этими факторами, по существу, определяется уровень начальной неопределенности, с которой встречаются разработчики новых систем, а также необходимый уровень надежности, гарантирующий успешную и своевременную реализацию программ создания и применения систем.

К факторам второй группы, характеризующим возможности научно-технического направления, следует отнести организационное, техническое, программное, информационное и методическое обеспечения.

Организационное обеспечение включает в себя установленный порядок планирования и реализации работ по обеспечению надежности, организацию служб надежности, существующие экономические, административные и правовые отношения между потребителями, разработчиками и изготовителями систем.

Техническое обеспечение определяется состоянием ТС, экспериментальной и производственной базой, уровнем технологии.

Методическое обеспечение включает в себя естественно-научный фундамент и специальные технические науки как теоретическую базу направления, в том числе инженерные методы анализа надежности систем на различных стадиях создания, методы синтеза рациональных программ обеспечения надежности ПОН, а также методы и алгоритмы, используемые при реализации и анализе результатов реализации ПОН.

Информационное обеспечение включает в себя средства и способы сбора, накопления, обработки и использования данных о процессе создания и результатах применения систем, данных по результатам анализа отказов, неисправностей, дефектов, замечаний, отступлений, изменений документации, нарушений стабильности производства, срывов сроков, фактов отклонений от запланированного хода создания и применения ТС, а также данных по принимаемым мерам предупреждения, контроля и защиты последствий этих отклонений.

Факторами второй группы определяются условия, в которых создавалось направление или начинался очередной этап его развития. В то же время научно-техническое направление в процессе своего развития оказывает влияние на эти условия, и соответственно, на развитие других направлений.

К факторам третьей группы относят основные результаты развития направления. С помощью этих результатов на каждом этапе формируются начальные условия для следующего этапа, т.е. определяются значения ряда факторов из первых двух групп. Для направления «надежность» наиболее показательным является изменение стандартов в области качества и надежности, взаимоотношений поставщиков и потребителей систем, методологии исследования надежности. Однако основной характеристикой развития направления является уровень организации структуры создаваемых систем и самого процесса их создания и применения.

Понятие «организация» является основным в кибернетике. Наличие организации между частями целого эквивалентно существованию ограничений в пространстве возможных состояний целого. Организация структуры системы определяет наличие упорядоченности, обмена информацией между ее элементами и, как результат, гибкость и динамическую устойчивость поведения возможности системы обрабатывать информацию, эффективно управлять объектом. Организация процесса определяет гибкость управления созданием и применением систем и возможность использования при этом управлении дополнительной оперативной и полезной информации.

Более высокому уровню организации соответствует более экономичное расходование ресурсов резервирования, заложенных в системы, при одном и том же начальном уровне неопределенности. При одном и том же уровне резервирования и уровне начальной неопределенности системы с более высоким уровнем организации обладают большей эффективностью.

Дата добавления: 2014-01-07