Черкесов Г. Н. Надежность аппаратно-программных комплексов.. Надежностьаппаратнопрограммных
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
Ремонтопригодность. Сохраняемость. Долговечность Надежность как комплексное свойство включает в себя единичные свойства: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность. Нельзя сводить надежность ник одному из этих свойств. Только их совокупность правильно раскрывает содержание понятия «надежность». Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки Наработка — это продолжительность или объем работы объекта. Наработка может измеряться веди- ницах времени или объема выполненной работы (длины, площади, массы, числа срабатываний и пр, например для автомобилей наработка может измеряться 1.3. Безотказность. Ремонтопригодность. Сохраняемость. Долговечность километражем пробега, для реле — количеством переключений на некотором временном интервале. Если наработка измеряется в единицах времени, тов случае непрерывного применения объекта она может совпадать с календарным временем. Наработку, в течение которой объект, снимаемый с эксплуатации после первого же отказа, сохраняет работоспособность, называют наработкой до первого отказа. Если наработка совпадает с календарным временем, она называется временем до первого отказа, или временем безотказной работы. Для других объектов наряду с наработкой до первого отказа может рассматриваться наработка между соседними отказами. Ремонтопригодность — это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодное изделие должно иметь соответствующую конструкцию, быть приспособленным к контролю работоспособности по всем основным параметрам, демонтажу отказавшего и монтажу работоспособного оборудования. Близким к ремонтопригодности понятием является восстанавливаемость. Вос- станавливаемость зависит только от приспособленности аппаратуры к предупреждению, обнаружению и устранению отказов, но и от подготовленности обслуживающего персонала, от организационно-технических мероприятий по обслуживанию и снабжению изделия необходимыми запасными частями, от внешних условий функционирования. Ремонтопригодное изделие становится восстанавливаемым, если при его применении допускаются вынужденные перерывы в работе всего изделия или его составных частей, имеются необходимая контрольно-измерительная аппаратура, запасные части и обслуживающий персонал соответствующей квалификации. Из сказанного следует, что не каждое ре- монтопригодное изделие является восстанавливаемым. Более того, одно и тоже изделие в различных ситуациях может быть либо восстанавливаемым, либо С другой стороны, не каждое восстанавливаемое изделие ремонтопригодно. Примером может служить изделие, в котором отказ возникает вследствие резкого ухудшения условий функционирования. Его работоспособность восстанавливается без вмешательства персонала сразу же после возвращения к нормальным условиям функционирования. Работоспособность может восстанавливаться и путем реконфигурации технических и программных средств без проведения ремонта или замены отказавшего модуля. Время, затрачиваемое на восстановление работоспособности объекта, называют временем восстановления Оно состоит из времени обнаружения отказа, времени локализации, времени устранения отказа путем ремонта или замены неисправной части на запасную, времени наладки и предпусковой проверки работоспособности. Время устранения отказа, кроме времени собственно ремонта или замены, включает в себя время доставки отказавшего модуля или прибора с места эксплуатации до ремонтной базы и обратно и время ожидания (в случае ремонта) либо время доставки запасной части со склада к месту эксплуатации (в случае замены). Совокупность ремонтного персонала, контрольно-измерительной аппаратуры, средств технической диагностики и наладки, запасного имущества и принадлежностей (ЗИП), испытательного и вспомогательного оборудования, необходимых 22 Глава 1. Основные понятия для восстановления работоспособности, называют ремонтным органом Часть ремонтного органа, необходимая для восстановления работоспособности одного модуля или блока, называют ремонтной бригадой, или восстанавливающим (обслуживающим) прибором. Последний термин заимствован из теории массового обслуживания, используемой для решения задач оценки надежности. Таким образом, для характеристики ремонтного органа необходимо знать не только производительность бригад, но и их количество. Сохраняемость — это свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и/или транспортирования. Сохраняемость характеризует поведение объекта в условиях, весьма существенно отличающихся от условий эксплуатации. Прежде всего вовремя хранения и транспортирования объект находится в выключенном состоянии. Кроме того, есть различия в температуре окружающей среды, влажности, других климатических условиях, механических нагрузках. Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта Предельное состояние — это такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние возникает вследствие старения, износа или существенного снижения эффективности применения объекта. В технической документации обычно указывают, какое состояние объекта следует считать предельным Система и элемент В технической литературе по теории надежности термины элемент и система употребляют в узком и широком смыслах [9]. Элементом в узком смысле называют изделие, выпускаемое серийно промышленностью и имеющее самостоятельное конструктивное оформление. Элемент в узком смысле — это резистор, интегральная микросхема, реле, тумблер и т. д. Подсистемой в узком смысле понимают совокупность взаимодействующих элементов в узком смысле с определенными связями между ними, предназначенных для выполнения общей задачи. Система в узком смысле — это компьютер, вычислительная сеть, автопилот, электростанция и пр. В зависимости от конструктивного исполнения и функционального назначения системы могут подразделяться на модули, блоки, приборы, агрегаты, устройства. Элементом в широком смысле, или структурным элементом называют любой объект, внутренняя структура которого на данном этапе анализа надежности не учитывается. В расчетах надежности такой элемент рассматривается как единое и неделимое целое. В технической кибернетике есть термин, близкий по смыслу к термину «структурный элемента именно — черный ящик. При построении моделей структурный элемент иногда называют еще элементом расчета надежности 1.5. Критерии и показатели надежности Системой в широком смысле называют совокупность элементов в широком смысле, соединенных между собой тем или иным способом. В зависимости от этапа анализа надежности и степени его детальности один и тот же объект может рассматриваться и как элемент, и как система. Употребление термина «элемент» (в широком смысле) по отношению к техническому изделию вовсе не означает, что оно простое и содержит небольшое количество элементов в узком смысле. Элементом в широком смысле может быть не только резистор, диод, микросхема, но и логическая плата, системный блок компьютера, компьютер в целом, вычислительный комплекс. С другой стороны, система в широком смысле необязательно должна содержать большое количество аппаратуры. Она может состоять из нескольких или даже одного элемента в узком смысле. Так, резистор может рассматриваться как система, состоящая из подложки, изолирующего слоя, напыления, выводов и пр. В дальнейшем термины элемент и «система» в основном будут употребляться в широком смысле, за исключением особо оговариваемых случаев. По степени сложности системы можно подразделять на простые и сложные. Отличительные особенности сложной системы таковы любое количество элементов, сложный характер связей между ними, многообразие выполняемых функций, наличие элементов самоорганизации, сложность поведения при изменяющихся внешних воздействиях, обусловленная наличием обратных связей, участием оперативного персонала в функционировании системы. В зависимости от факторов, учитываемых при классификации, различают сложные, функционально сложные сложные и другие разновидности сложных систем. Автоматизированные системы обработки информации и управления относятся, как правило, к сложным системам, хотя многие их подсистемы являются простыми системами. АСОИУ являются многофункциональными системами, могут функционировать с пониженным качеством, имеют несколько уровней работоспособности, сложную структуру, элементы адаптивности и самоорганизации. Критерии и показатели надежности Надежность недостаточно определить на качественном уровне (высокая, низкая, приемлемая и т. п) — необходимо уметь оценивать ее количественно и сравнивать различные изделия по их надежности. С этой целью вводятся критерии и показатели надежности Показатель надежности — это количественная характеристика одного или нескольких единичных свойств, определяющих надежность объекта. Различают единичные и комплексные показатели надежности. К единичным относят показатели безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости. Комплексные показатели характеризуют несколько единичных свойств, например безотказность и ремонтопригодность 24 Глава Основные понятия В настоящее время в теории надежности используют вероятностные показатели, [4], Каждый объект характеризуется вектором единичных и комплексных показателей. Поскольку при сравнении один из вариантов может быть лучше альтернативного варианта по одному показателю и хуже по другому, среди показателей выбирают тот, который в конкретных условиях применения наилучшим образом отражает свойство надежности, и придают ему функцию критерия надежности. Как правило, именно этот показатель нормируется в техническом задании на разработку ив технической документации. Можно утверждать и обратное нормируемый показатель надежности используют в качестве критерия надежности. Не следует думать, что эти понятия совпадают полностью, так как нормироваться может один показатель, а при сравнении вариантов использоваться другой. Необходимо отличать критерий надежности от критерия отказа и критерия предельного состояния Критерий — это признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта, установленные в нормативно-технической и/или конструкторской документации. Соответственно критерий предельного состояния — это признак или совокупность признаков предельного состояния. Выбор и обоснование номенклатуры показателей надежности происходит с учетом назначения изделия и условий его эксплуатации [8]. Поэтому прежде чем рассматривать конкретный перечень показателей надежности, полезно классифицировать объекты по указанным признакам. По назначению изделия подразделяют на два класса изделия конкретного назначения (ИКН), имеющие только один вариант применения по назначению (примеры принтер, канал измерения концентрации вещества, детектор радиационного контроля и при изделия общего назначения (ИОН, которые имеют несколько вариантов применения или функция которых универсальна (например, источник электропитания, компьютер, магистраль системы связи или внутреннего интерфейса и пр.). По возможности восстановления работоспособности после отказав период применения по назначению различают и восстанавливаемые (ВО объекты Объект относят к группе ВО, если восстановление предусмотрено документацией и технически возможно непосредственно на месте его эксплуатации. К группе НВО объект относят тогда, когда текущий ремонт технически невозможен или экономически нецелесообразен. При этом один и тот же объект в одних условиях может быть восстанавливаемым, а в других невос- Так, для легкового автомобиля при значительном удалении от сервисных центров это зависит от умения водителя устранять отказы и неисправности, от наличия запасных частей, от временных ограничений при поездке, от ограничений по условиям гарантийных обязательств и пр. В зависимости от режима применения изделия подразделяют натри класса однократного применения (ОКРП), непрерывного длительного применения (НПДП), многократного циклического применения (МКЦП). В зависимости от возможности и необходимости технического обслуживания (выполнения профилактических работ и контроля технического состояния) изделия подразделяют на обслуживаемые (ОБ) и необслуживаемые 1.5. Критерии и показатели надежности 25 1.5.1. Невосстанавливаемые изделия Показатели безотказности Основной изучаемой случайной величиной для невос- станавливаемых изделий является наработка до первого отказа Если наработка измеряется в единицах времени, то она совпадает с календарным временем для изделий, работающих в режимах ОКРП и и с суммарной длительностью выполненных циклов — для работающих в Если отказ может обесценивать часть наработки, тов наработку до отказа включают только ту ее часть, которая не обесценена отказом. Вероятностные характеристики наработки являются показателями безотказности Их особенность состоит в том, что они определяются по результатам наблюдений за некоторым множеством экземпляров однотипных изделий, но используются в качестве показателя надежности каждого конкретного изделия. Поэтому в дальнейшем кроме вероятностного приводится и статистическое определение, которое можно использовать как один из способов статистической оценки искомой вероятностной характеристики. Вероятность безотказной работы P(t). Вероятностью безотказной работы называют вероятность того, что изделие будет работоспособно в течение заданной наработки при заданных условиях эксплуатации (По статистическим данным об отказах вероятность безотказной работы определяют по формуле (где N(0) — число изделий вначале наблюдения n(t) — число отказавших за время изделий. В начальный момент времени Р) = 1, если при включении отказы невозможны, и 0 < Р) < 1, если при включении изделие может отказать. При увеличении времени вероятность P(t) монотонно уменьшается и для любых технических изделий асимптотически приближается к нулю. Вероятность отказа есть вероятность того, что при заданных условиях эксплуатации в течение заданной наработки произойдет хотя бы один отказ, то есть = (Отказ и безотказная работа — противоположные события. Поэтому = (Из (1.2) и (1.4) следует, что (Согласно (1.3), функцию Q(t) можно трактовать как функцию распределения случайной величины Дифференциал функции называется элементом вероятности и представляет собой вероятность того, что отказ произойдет в бесконечно малой окрестности = P(t (наработки) изделия до первого отказа. Согласно вероятностному определению 26 Глава Основные понятия P(t) = a(x)dx. (При наблюдении за работой изделий можно определить частоту отказов как отношение числа отказавших в единицу времени изделий к общему числу изделий при условии, что отказавшие изделия не восстанавливаются) = где At) = n(t + At/2) - n(t - At/2) — число отказавших изделий в интервале -At/2, t + Интенсивность отказов плотность распределения наработки до первого отказа при условии, что отказавшее изделие до рассматриваемого момента времени работало безотказно. Согласно вероятностному определению) = a(t)/ P(t) = P(t) = (1.8) V о По статистическому определению, интенсивность отказов есть отношение числа отказавших в единицу времени изделий к среднему числу работоспособных на рассматриваемом отрезке времени изделий где = -(n(t + At / 2) + n(t - At / 2)) / Поскольку существует однозначная связь между функциями a(t) и X(t), достаточно задать лишь одну из них, чтобы по формулам связи найти все остальные, то есть в смысле полноты сведений о надежности изделия эти функции эквивалентны. Они определяются по статистическим данным о количестве отказов невосстанавливаемых изделий. Если же до начала интересующего нас интервала времени изделие уже проработало в течение времени т, то для оценки надежности необходимо вводить условные показатели при условии, что изделие уже некоторое время проработало безотказно. Рассмотрим некоторые из этих параметров, считая, что одна из функций — P(t), a(t) или X(t) — известна. Вероятность безотказной работы Р(х, t), Вероятность безотказной работы вин- тервале (т, т + t) определяется как вероятность того, что отказа не будет винтер- валет при условии, что его не было в течение времени т, t) >x + > т) = P(x + t)/ = , (где P(t) — функция (1.1). Прочие показатели надежности определяются по формулам t) = 1 - t) = \ t) = t) = t) a(x + (1.10) at at X(x, t) = — t) t) = X(x + t). at dt 1.5. Критерии и показатели надежности Средняя наработка до первого отказа есть математическое ожидание наработки до первого отказа Используя определение элемента вероятности (1.6), можно записать (1.11) о Если функция дифференцируема при всех t > 0, то из и (1.7) получим: о Заменяя в на интегрируя по частями учитывая свойства функции имеем (1.12) о Отсюда следует, что средняя наработка до первого отказа равна площади под кривой на всей полуоси (0, со). По результатам наблюдения за работой до отказа всех изделий можно составить следующую статистическую оценку средней наработки до первого отказа: где — наработка до отказа го изделия. Средняя остаточная наработка до отказа (тесть математическое ожидание случайной величины - т при условии, что > т. Используя функции (и (1.10), составим выражение для средней остаточной наработки до первого отказа (При т (1.9), (1.10) и (1.13) совпадают си (Показатели долговечности При определении показателей долговечности вводятся следующие случайные величины ресурс — суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние, установленное в технической документации срок службы — календарная продолжительность службы изделия от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние. Различают средний, гамма-процентный и назначенный ресурсы (срок службы). Средний и гамма-процентный ресурсы (срок службы) — это, соответственно, математическое ожидание случайной величины и квантиль по уровню вероятности у, выраженному в процентах. Назначенный ресурс (срок службы) это суммарная наработка (календарная продолжительность, по достижении которой эксплуатация изделия прекращается независимо от его технического состояния. Остаточный ресурс (срок службы — это суммарная наработка (календарная продолжительность) от момента контроля технического состояния до перехода в предельное состояние. Аналогично вводится понятие остаточного 28 Глава Основные понятия срока хранения Для случайных величин и используются те же характеристики, что и для и Показатели сохраняемости Для оценки сохраняемости рассматривают характеристики случайной величины — срока сохраняемости, определяемой как календарная продолжительность хранения и/или транспортирования изделия, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность изделия выполнять заданные функции. В качестве показателей сохраняемости используют средний и гамма-процентный сроки сохраняемости. Восстанавливаемые изделия Типовая диаграмма функционирования состоит из чередующихся интервалов безотказной работы и восстановления. Эксплуатация изделия продолжается до тех пор, пока ремонт не становится нецелесообразным или пока оно не будет снято с эксплуатации по достижении назначенного срока службы или назначенного ресурса. Для оценки надежности таких изделий недостаточно рассматривать характеристики наработки до первого отказа — нужно знать также характеристики процесса функционирования после первого отказа. С этой целью в теории надежности изучаются характеристики следующих случайных величин: наработки между отказами времени восстановления после г'-го отказа наработки дог -го отказа полного времени дог -го восстановления Г, числа отказов дополучения наработки t числа моментов восстановления за время суммарной наработки в интервале (0, t) суммарного времени восстановления в интервале длительностью Характеристики этих случайных величин как рази являются показателями надежности восстанавливаемых изделий. При формулировке определений будем использовать следующие обозначения = < t) — распределение наработки дог -го отказа = < t) — распределение времени дог -го восстановления п) — вероятность возникновения п отказов дополучения наработки t, = = п) — вероятность возникновения п моментов восстановления за время t. Рассмотрим теперь показатели надежности. Показатели ремонтопригодности К ним относятся вероятность восстановления за время t = < t), вероятность = > t) того, что восстановление не закончится за время плотность распределения времени восстановления /„(О интенсивность восстановления среднее время восстановления Вероятностное и статистическое определения среднего времени восстановления соответствуют формулам 0 |