Основы теории надежности

(задачи, определения, понятия, показатели, факторы)

1.1. Задачи оценки и обеспечения надежности. Основные понятия.

1.1.1. Задачи оценки и обеспечения надежности.

Для автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ), являющихся сложными человеко-машинными системами, важнейшее значение имеет надежность функционирования. Сложность АСОИУ приводит к тому, что пути и способы обеспечения их надежности не очевидны и, в каждом отдельном случае, обусловлены особенностями разрабатываемых систем. Выработка обоснованных рекомендаций, связанных с обеспечением требуемой (заданной) надежности современных АСОИУ с наименьшими затратами, требует выполнения серьезных научно-инженерных исследований и расчетов.

По мере усложнения систем усложняются задачи оценки надежности и обеспечения ее заданного уровня. К сожалению, показатели надежности, хорошо работающие при оценке простых систем, и традиционные методы расчета их значений оказываются практически беспомощными и неприменимыми, когда речь идет о современных сложных иерархических АСОИУ. Следует отметить, что такие показатели надежности как “среднее время безотказной работы системы” или “вероятность безотказной работы системы в течение заданного интервала времени” применительно ко многим сложным системам лишены практического смысла. Эти показатели направлены на установление самого факта отказа, но не позволяют оценить влияние отказа на конечный эффект функционирования системы. Очевидно, что многие сложные системы могут принципиально выполнять свои функции при условии, что некоторая часть их элементов находится в нерабочем состоянии. Например, при наличии в АСОИУ нескольких принтеров, выход из строя одного из них может только снизить качество ее функционирования (увеличить время печати выходных документов). Таким образом, решающим в оценке надежности сложных АСОИУ является правильный учет последствий (с точки зрения конечного эффекта функционирования системы), к которым приводят отказы тех или других ее элементов.

Задача оценки надежности АСОИУ может быть поставлена следующим образом. Предполагается, что каждый элемент системы состоит из некоторого числа первичных элементов. По количеству этих элементов, числу и характеру связей между ними, числу возможных перестроений структуры в процессе эксплуатации система может быть различной степени сложности. Анализ надежности сложной системы предусматривает разделение ее на составные части (элементы), влияние которых на ее надежность можно представить с помощью либо структурной схемы расчета, либо алгоритмом моделирования надежности. Разделение АСОИУ на составные части носит условный характер, поэтому любая ее часть (технические средства, программное обеспечение, персонал) может рассматриваться как подсистема, в свою очередь, состоящая из частей (элементов). Поэтому количество первичных элементов системы зависит от принятого (заданного) уровня исследования надежности.

Все характеристики первичных элементов и взаимодействий между ними, имеющие отношения к свойству надежности системы, учитываются множеством параметров A ={ a_i }, , где N -число первичных элементов, рассматриваемых при решении задачи обеспечения надежности. Ясно, что показатель эффективности системы, как меры проявления совокупности ее свойств (качества), зависит от значений параметров A. Поэтому любые изменения надежностных характеристик первичных элементов или взаимодействий между ними сказываются, в той или иной мере, на значениях параметров A и, в конечном итоге, на величине показателя эффективности F всей системы.

Будем считать, что некоторые первичные элементы АСОИУ или ее подсистем в процессе функционирования могут отказывать. В общем случае под отказом элемента понимается либо выход его характеристик за допустимые пределы, либо временное прекращение работы (сбой), либо полное прекращение работы (устойчивый отказ). В названных случаях возникновения отказа происходит изменение значения показателя эффективности F.

Надежность первичных элементов можно описывать различными вероятностными характеристиками, например, вероятностью безотказной работы в зависимости от времени, параметрами потока отказов и др.

Обычно возникает вопрос: «Какими же показателями оценивать надежность всей системы в целом?».

Очевидно, что отказы первичных элементов снижают эффективность на некоторое DF. Степень снижения эффективности АСОИУ за счет отказов элементов достаточно хорошо описывает последствия, к которым приводят отказы. Из этих соображений и может быть выбран показатель надежности системы. Предположим, что имеется возможность вычислять F с учетом параметров А. Тогда может быть вычислено значение показателя эффективности F _н^o в предположении, что все первичные элементы системы абсолютно надежны. Затем вычисляется значение показателя эффективности F _н * при условии, что отказы элементов могут происходить с интенсивностями, соответствующими заданным характеристикам. Тогда значение

D F _н= F _н^o - F _н*

можно принять в качестве показателя надежности сложной системы.

Величина D F _н показывает, насколько снижается эффективность системы за счет возможных отказов ее элементов по сравнению с эффективностью идеальной системы. Очевидно, что показатель D F _н, а особенно отношение D F _н/ F _н, могут быть использованы для сравнительной оценки надежности различных вариантов АСОИУ. Если отношение D F _н/ F _нмало, то отказы элементов слабо влияют на эффективность системы и, следовательно, тратить средства на повышение надежности элементов нецелесообразно. Если отношение D F _н/ F _н значительно, то необходимо повышать надежность путем:

1) увеличения надежности элементов;

2) резервирования мало надежных элементов, т.е. введение избыточности (использования методов структурной надежности);

3) применения профилактических мероприятий и т.д.

При решении задач, связанных с оценкой и обеспечением надежности АСОИУ, необходимо учитывать возможность восстановления отказавших элементов за счет диагностики неисправностей и ремонтных работ по их устранению. Возможности выявления причин сбоев, длительности обнаружения и восстановления отказавших элементов задаются соответствующими вероятностными характеристиками.