Лекция 1. История развития и обзор основных направлений теории надежности. Термины и определения

I. История развития

Как самостоятельное научное направление теория надежности зародилась в США через несколько лет после окончания Второй Мировой войны, когда американцы начали военные действия в Кореи, далеко от стационарных баз, где можно было бы отремонтировать или заменить отказавшую военную технику. Для решения проблемы надежности в Институте Радиоинженеров США(IRE) была создана секция надежности и контроля качества, которая стала выпускать ежеквартальные журналы и, начиная с 1954г., созывать ежегодные симпозиумы по надежности. В это же время вопросам надежности технических объектов стало уделяться должное внимание и в Советском Союзе. Уже в 1954 г. вышел первый сборник переводов зарубежных материалов, затрагивающих вопросы надежности, под ред. академика В.И. Сифорова. Возможности советской системы по быстрой мобилизации интеллектуальных и материальных ресурсов в нужном направлении дали свои плоды. Была сформирована группа специалистов (в основном военных из Академии Жуковского), которые возглавили работы в Москве: Б.В. Васильев, Г.В. Дружинин, В.А. Кузнецов, Б.Р. Левин, И.И. Морозов, М.А. Синица, К.Ф. Цветаев. В 1958 г. состоялась Первая Всесоюзная конференция по надежности. Ленинградскими специалистами уже в 1959г. в первом отечественном отделе надежности (в одном из Ленинградских НИИ Судпрома) была выпущена первая книжка - «Основы теории и расчета надежности (авторы книги – одни из основоположников отечественной школы надежности: И.М. Маликов, А.М. Половко, Н.А. Романов и П.А. Чукреев). А в 1959г. в декабре проходила уже Вторая Всесоюзная конференция по надежности, главным организатором которой было НТО им. А.С. Попова. Был создан специальный объединенный отдел надежности всех оборонных министерств под руководством замечательного ученого и организатора – Якова Михайловича Сорина, в котором работал тогда еще молодой специалист, а ныне крупный ученый, автор всемирно известного справочника по теории надежности, Игорь Алексеевич Ушаков. Выдающиеся теоретические результаты работы этих ученых и их высочайшая практическая ценность позволили доказать ряду тогдашних главных конструкторов ошибочность мнения о том, что “считают надежность те, кто ее не умеет делать”. В 60-х годах почти одновременно в СССР и США были выпущены две книги, заложившие теоретический фундамент анализа надежности, “Математические методы в теории надежности” и “Mathematical Theory of Reliability”. Авторами первой книги были выдающиеся советские математики, “классики при жизни” – Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев, руководители кафедры и лаборатории теории вероятностей МГУ. Академик, заведующий кафедрой теории вероятностей МГУ Борис Владимирович Гнеденко – ученый, классические результаты которого в теории экстремальных величин, в статистике и теории массового обслуживания известны во всем мире. Доктор физико-математических наук, профессор Александр Дмитриевич Соловьев – известный ученый, крупнейший специалист по асимптотическим методам теории надежности. Доктор физико-математических наук, профессор Юрий Константинович Беляев - ученик А.Н. Колмогорова, выдающийся ученый, специализирующийся на статистических методах оценки показателей надежности и методах контроля качества. Вторая книга была написана профессором Калифорнийского университета Р. Барлоу и профессором университета Флориды, сотрудником научной лаборатории фирмы Boeing Ф. Прошаном. За вклад в развитие теории надежности они были удостоены премии фон Неймана Американского Общества Исследования Операций.

Дальнейшее развитие отечественной теории надежности связано с именами многих выдающихся ученых. Среди них, адмирал Игорь Алексеевич Рябинин – один из создателей логико-вероятностного направления теории надежности, родившегося в связи с необходимостью построения адекватных моделей надежности многоэлементных, высокорезервированных корабельных систем, Геннадий Николаевич Черкесов, автор оригинальных работ по анализу надежности систем с временным резервированием, Илья Борисович Герцбах, написавший одну из лучших книг по моделям систем с профилактическим обслуживанием, ученики Б.В. Гнеденко Владимир Семенович Королюк и Игорь Николаевич Коваленко, получившие очень интересные теоретические результаты в области надежности и массового обслуживания, и многие другие.

Хотелось бы особо отметить деятельность доктора технических наук, профессора МИИТа Георгия Васильевича Дружинина, автора одной из первых серьезных отечественных книг по теории надежности “Надежность устройств автоматики”, выпущенной в 1964г. Он был автором еще множества первоклассных работ по теории надежности технических систем и организатором и председателем научного семинара по надежности, в котором принимали участие все ведущие специалисты страны. В настоящее время семинар проводится кафедрой АСУ МИИТа под руководством профессора, доктора технических наук Э.К. Лецкого и профессора доктора технических наук И.Б. Шубинского.

Читателю, который хочет более подробно ознакомиться с историей становления отечественной научной школой надежности, можно порекомендовать прочесть замечательный исторический обзор И.А. Ушакова, помещенный им на форуме Гнеденко по web адресу https://www.gnedenko-forum.org/history.htm.

II. Обзор основных направлений

На современном этапе развития теории надежности четко выделились четыре основных направления.

1. Разработка моделей и методов анализа надежности.

Модели анализа надежности делятся на два класса: статические, в которых состояния системы определяются наборами работоспособных и неработоспособных элементов в момент времени t; динамические, когда происходящие события, отказы рассматриваются как процессы, развивающиеся во времени.

В рамках статических моделей анализ надежности проводится следующими методами:

• метод, использующий основные формулы теории вероятностей (вероятность суммы и произведения событий, формула полной вероятности) и комбинаторики
• методы, основанные на записи логических условий, интересующих исследователя функций через состояния элементов системы с последующим применением теории алгебры логики

Классические статические модели для восстанавливаемых систем позволяют рассчитывать лишь дифференциальные (мгновенные) показатели надежности, определяющие состояние анализируемой системы в момент времени t

В рамках динамических моделей применяются:

· моделирование систем марковскими процессами

· методы теории восстановления, полумарковских и регенерирующих процессов

· статистическое имитационное моделирование (Монте Карло)

Динамические модели позволяют вычислять все основные показатели надежности, как мгновенные, так и интервальные, характеризующие состояние анализируемой системы на интервале времени (0,t)

2. Подготовка исходных данных для системных моделей надежности.

· прогнозирование безотказности, включающее расчет надежности элементной базы на основе физики отказов элементов и статистических испытаний

· прогнозирование ремонтопригодности, т.е. определение средних времен восстановления для стандартных операций обслуживания и ремонтов

· анализ видов, последствий и критичности отказов, в процессе которого выявляются возможные типы отказов элементов, их частотные характеристики, степень влияния этих отказов на систему в целом

3. Статистические методы оценки надежности.

· организация, процедуры и методы сбора и обработки статистической информации об отказах, контроля качества продукции

· организация и методы испытаний на надежность

· статистические методы управления надежностью, в частности, прогнозирование технического обслуживания

В западной литературе это направление называется Вейбулловским анализом по имени известного статистика У. Вейбулла, получившего в 1937 году одноименное распределение на основе обработки обширного статистического материала.

Современными российскими специалистами в области надежности ведутся теоретические исследования и разработки как динамических, так и статических моделей. Широко известными являются работы Можаева А.С., Акуловой Л.Г., Степанянца А.С., Филина Б.П. (логико-вероятностные методы), Шубинского И.Б., Лубкова Н.В. (марковские, полумарковские случайные процессы), Калашникова В.В. (асимптотические методы - полумарковские, регенерирующие процессы, теория восстановления), Кузнецова Н.Ю., Буянова Б.Б., Лубкова Н.В. (ускорение статистического моделирования), Волика Б.Г. (анализ эффективности и техногенной безопасности), Петрухина Б.П. (прогнозирование безотказности электронной элементной базы).

III. Термины и определения

· Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации

· Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально

· Элемент системы – объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения

· Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки

· Надежность – это сложное свойство, включающее (в зависимости от назначения и условий применения) такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость

· Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки

· Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с перерывами на ТО и ремонт

· Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности и исправности в процессе ТО и ремонта

· Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять раб-ть в течение (и после) хранения и (или) транспортировки

· Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документацию. Неисправность – не соответствует хотя бы одному требованию

· Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НТД. Неработоспособность – не выполняет хотя бы одну функцию.

· Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта

· Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа

· Восстанавливаемый (Невосстанавливаемый) Объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит (не подлежит) восстановлению в рассматриваемых условиях

Кроме надежности технические объекты могут характеризоваться и другими свойствами, определяющими их работоспособность. К ним относятся: живучесть, эффективность и безопасность. Вопросам сравнительного анализа этих свойств посвящены работы доктора технических наук профессора Волика Б.Г. Надежность, живучесть эффективность и безопасность определяют разные стороны изменений работоспособности объекта. Одни основываются на анализе источников нарушений работоспособности, другие – на анализе их последствий. Источники – различаются на внутренние и внешние источники. К внутренним относятся отказы технических средств объекта, ошибки в программах функционирования и эксплуатации, нарушения координации протекающих в объекте процессов, ошибки управляющего и обслуживающего персонала. Внешние - это случайные и/или преднамеренные воздействия на объект, способные нарушить его работоспособность. Надежность характеризует поведение объекта по отношению к внутренним источникам, живучесть – по отношению к внешним.

Термин «живучесть» в литературе имеет широкое толкование. В технику, по-видимому, он был введён в XIX веке адмиралом С.О.Макаровым для оценки работоспособности (непотопляемости) кораблей при воздействии на них поражающих средств противника. Значительный вклад в развитие толкования этого термина и разработку методов количественной оценки внёс И.А.Рябинин.

Живучесть – свойство объекта выполнять заданные функции, хотя бы в минимальном допустимом объёме, при внешних неблагоприятных воздействиях на него не предусмотренных заданными штатными условиями применения по назначению.

Последствиянарушений работоспособности по существу являются источником какого-либо ущерба той надсистемы, элементом которой является рассматриваемый объект. Несмотря на многообразие возможных последствий нарушений работоспособности, их можно обобщить в две принципиально различные группы (А,Б):

А. Потери целевой отдачи объекта. Это частичное или полное невыполнение предписанных функций, финансовые или материальные потери.

Б. Потери здоровья или жизни персонала и населения, попадающих в зону действия поражающих факторов объекта, ущерб окружающей среде сверх установленных норм.

Последствия группы А определяют свойство названное эффективностью, а группы Б – безопасностью

Для описания целевой отдачи объекта от его применения по назначению было введено понятие эффективности. Эффективность может выступать индикатором сравненияконкурирующих вариантов объекта.

Эффективность – свойство объекта обеспечивать, на заданном интервале времени эксплуатации, целевую отдачу не ниже заданного уровня.

Еще одно понятие, безопасность, имеет множество трактовок в литературе. Большинство трактовок, относящихся к объектам техники, связывают это понятие с событием перехода объекта в возможные опасные состояния, сопровождаемые дополнительными, не предусмотренными номинальным регламентом эксплуатации, потерями (ущербом). Принципиальное расхождение в определениях термина безопасность в конкретизации того, что понимать под понятием потери (ущерб), и какие состояния объекта относить к категории опасных. В одних публикациях, и таких большинство, под ущербом понимается утрата здоровья или жизни человека, нанесение повреждения окружающей среде сверх обоснованных нормативных пределов. В других публикациях к этому ущербу добавляют материально-финансовые потери, превышающие плановый уровень, которые возникают в случаях каких-либо форс-мажорных событий. Принятие второй трактовки ущерба в определении термина безопасность означает, что он может применяться для обозначения любых событий нарушения номинальной работоспособности объекта, приводящих к любого вида потерям. Таким образом, оказываются совпадающими признаки определений терминов безопасность и эффективность и нарушается однозначное применение этих терминов. Из этого следует, что для определения термина безопасность необходимо использовать первую трактовку понятия потери (ущерб).

Безопасность – свойство объекта не допускать выхода в область возможного нахождения производственного персонала и/или населения поражающих для их жизни и здоровья факторов, а также факторов, наносящих ущерб окружающей среде сверх установленных норм.