Проектирование информационных систем

5. Комплексные показатели надежности

Обычно комплексные показатели надежности используются для совместной оценки свойств безотказности и ремонтопригодности восстанавливаемых объектов.

Коэффициент готовности - вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный момент времени его использования по назначению:

где tP - суммарное время нахождения объекта в работоспособном состоянии;

t в- суммарное время восстановления объекта, т.е. время, затраченное на профилактику и ремонт.

Суммарное время работы объекта складывается из чередующегося времени работы и восстановления и коэффициент готовности можно записать в виде:

Учитывая зависимость среднего времени на отказ от параметра потока отказа (*), получается:



Формула широко применяется в инженерной практике. Степень ее приближения к истинному значению Кг тем больше, чем больше интервал времени, на котором определяется tp. Поток отказов и восстановлений при этом становится установившимся и Кг приобретает стационарный характер (при .t®?, w(t) ® 1/T и Кг стремиться к постоянной величине). Коэффициент готовности, как правило, учитывает свойства аппаратурной безотказности и восстанавливаемости. Если под отказом понимать не только отказ аппаратуры, но любой отказ системы в выполнении заданных функций (в том числе вызванный дефектами программного обеспечения, снижением достоверности и т .п .), тогда Кг может выполнять роль комплексного показателя надежности ИС , учитывающего и другие свойства системы. Поэтому при использовании коэффициента готовности необходимо указывать, какие свойства объекта он учитывает. Коэффициент оперативной готовности - вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного времени:

где P(tз) - вероятность безотказной работы на интервале заданного времени. Коэффициент вынужденного простоя - вероятность того, что объект окажется неработоспособным в произвольный момент времени в промежутках между плановыми ремонтами и определяется как отношение времени восстановления к суме времени восстановления и безотказной работы, взятых за один и тот же календарный период:



где tP - суммарное время нахождения объекта в работоспособном состоянии;

t в- суммарное время восстановления объекта, т.е. время, затраченное на профилактику и ремонт.

Видно, что коэффициент вынужденного простоя и коэффициент готовности связаны зависимостью: Кв=1-Кг.

Помимо рассмотренных коэффициентов используется еще множество других:

Коэффициент сохранения эффективности - показатель, характеризующий влияние степени надежности элементов объекта на техническую эффективность, представляемый в виде отношения показателя технической эффективности при реальной надежности к максимальному возможному значению этого показателя (т.е. соответствующему состоянию полной работоспособности всех элементов объекта).

Показатели надежности в зависимости от уровня рассматриваемого объекта удобно подразделять на оперативные и технические. Оперативные показатели характеризуют качество системы с точки зрения потребителя (например, срок службы). Технические нужны для использования в дальнейших расчетах или статистических оценках. Например, если дублированную систему удобно характеризовать коэффициентом готовности (оперативный показатель), то каждый из резервных элементов удобнее характеризовать техническими показателями - распределениями наработки и времени восстановления (или их основными параметрами, например мат.ожиданием), поскольку именно они позволяют рассчитать показатель надежности системы в целом с учетом особенностей эксплуатации и технического обслуживания.

Существует (указано в соответствующем ГОСТ) и может быть предложено множество других комплексных показателей надежности. Но выбор показателя зависит в основном от общего назначения системы, но на него может влиять также и степень важности или ответственности функций, выполняемых системой.

Выбирая показатели надежности для технического объекта, следует иметь в виду следующее:

a) общее число показателей надежности должно быть по возможности минимальным;

b) следует избегать сложных комплексных показателей;

c) выбранные показатели должны иметь простой физический смысл;

d) выбранные показатели должны допускать возможность поведения подтверждающих (поверочных) оценок на этапе проектирования (аналитических расчетов или имитационного моделирования);

e) выбранные показатели должны допускать возможность статистической (опытной) оценки при проведении специальных испытаний или по результатам эксплуатации;

f) выбранные показатели должны допускать задание норм надежности в количественной форме.

5. Методы и модели расчета надежности технических объектов

1. Методы получения оценок надежности технических систем

Методы исследования и оценки надежности технических средств и технологических процессов обработки информации можно разделить на 4 группы: аналитические; экспериментальные; методы, основанные на статистическом моделировании; комбинированные.

Под аналитическим исследованием надежности некоторой системы понимают расчет ее надежности на основе данных о надежности компонентов, структуре, условиях функционирования и режиме обслуживания. Применительно к ИС аналитическое исследование сводится к определению показателей безотказности и восстанавливаемости. Аналитическим путем может быть определено влияние различных факторов, найдены оптимальные требования к надежности ИС и ее компонентов, режимы технического обслуживания и т.д.

Под экспериментальной оценкой надежности понимается определение и контроль различных показателей по результатам испытаний или наблюдений в процессе эксплуатации. Отличительной чертой экспериментальных методов является то, что они не требуют знания о надежности свойств компонентов системы. Экспериментальная оценка надежности ИС может реализовываться в двух вариантах: 1) организация специальных испытаний и 2) сбор статистических данных о работе системы в условиях нормальной или подконтрольной эксплуатации. Второй путь значительно дешевле первого, но результаты такой оценки формируются со значительным сдвигом во времени по отношению к моменту установки и сдачи системы.

При экспериментальной оценки надежности решаются типичные задачи математической статистики, часто встречающейся на практике.

Методы статистического моделирования, как и аналитические, требуют наличия данных о надежности компонентов. Метод статистического моделирования состоит в генерировании (с помощью случайных чисел) случайных отрезков времени безотказной работы и времени восстановления отдельных компонентов ИС, т.е. искусственном воспроизведении процесса функционирования системы. Комбинированные методы объединяют методы, рассмотренные ранее. Так, оценка характеристики отдельных компонентов ИС может устанавливаться в результате проведения экспериментов, а полученные результаты использоваться для статистического моделирования.

2. Модель надежности невосстанавливаемого и восстанавливаемого элемента

При выполнении расчетов надежности оперируют не с самим техническим изделием, а с некоторым математическим объектом, который отражает наиболее существенные свойства реального изделия и называется математической моделью надежности. Наиболее простой является модель невосстанавливаемого объекта - модель безотказности. Построение модели безотказности состоит из:

формирования признаков отказа;

выбора и обоснования функции распределения наработки до отказа;

определение численных значений параметров функции надежности по статистическим данным, полученным по испытаниям и в процессе наблюдения при эксплуатации;

На основании составленной модели возможен расчет любых показателей надежности.

При формировании модели надежности восстанавливаемого объекта дополнительно нужно строить модель восстанавливаемости, в которой должны быть формализованы процессы обнаружения, локализации отказов, наладки и предпусковой подготовки.

Модель безотказности.

А. Признак отказа

Подход 1. Наиболее распространенным делением отказов является классификация по характеру изменения выходного параметра объекта до момента возникновения отказа.

Постепенные (износные) отказы возникают в результате постепенного протекания того или иного процесса повреждения, прогрессивно ухудшающего выходные параметры объекта. К постепенным отказам относятся отказы, связанные с процессами старения (изнашивания, коррозии, усталости и ползучести материалов).

Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности объекта к их восприятию (т .е. нарушение работоспособности вследствие внешних и внутренних факторов).

Считается доказанным, что, время возникновения отказов из-за уходов параметров за допустимые значения подчиняется нормальному закону распределения, а при внезапных отказах - экспоненциальному.

Подход 2. Основными количественными характеристиками надежности невосстанавливаемых объектов в процессе эксплуатации являются: вероятность исправной работы, средняя наработка до отказа, частота и интенсивность отказов.

Наиболее полно характеризовать надежность элементов можно частотой отказов. Это объясняется тем, что частота отказов является плотностью распределения времени возникновения отказов и поэтому полностью описывает случайную величину с вероятностной точки зрения. Однако плотность достаточно трудно определить экспериментально. Поэтому наиболее распространенными на практике являются вероятность безотказной работы и интенсивность отказов. Так как указанные характеристики однозначно связаны межу собой, то достаточно знать одну из них, чтобы вычислить другую.

Наиболее удобной характеристикой является интенсивность отказов, так как ее наиболее просто получить экспериментально и она, как правило, имеет простое аналитическое выражение. На рисунке приведена типичная кривая изменения l(t) в течение срока эксплуатации (жизни) изделия.

I - этап приработки dl(t)/dt<0.

В большой партии всегда имеется некоторое количество изделий со скрытыми дефектами, не обнаруженными выходным контролем производства. Эти дефекты развиваются в отказ обычно вскоре после начала эксплуатации. По мере «обнаружения» дефектных изделий интенсивность отказов уменьшается и интенсивность отказов стабилизируется.

II - этап нормальной эксплуатации l(t)-const

Период нормальной эксплуатации характеризуется постоянной величиной интенсивности отказов, та как дефектные изделия исключены из эксплуатации на I этапе, условия эксплуатации соответствуют предусмотренным в нормативно-технической документации (а, следовательно, исключено влияние факторов, вызывающих преждевременное старение и выход из строя).

III - этап старения dl(t)/dt>0

На III этапе отказы возникают преимущественно вследствие необратимых физико-химических процессов, приводящих к ухудшению качества изделий и называемых процессами старения.

Таким образом, на участке нормальной эксплуатации l(t)=const,

А, следовательно, на основании формулы связи получаем - экспоненциальный (показательный) закон распределения, для частоты отказов

,

среднее время безотказной работы

Таким образом, на этапе старения l(t)= l0*t - линейная функция времени на основании формулы связи получаем - закон распределения Релея, для частоты отказов , среднее время безотказной работы

 Общим распределение, частным случаем которого является экспоненциальное и релеевское распределение является закон Вейбулла. Он применяется для построения моделей безотказности в случае сложного отказа, состоящего из внезапного и постепенного. Это распределение двухпараметрическое с параметрами l0 и k:

Вероятность безотказной работы

Вероятность отказа

Частота отказов

Интенсивность отказов

Среднее время безотказной работы

При k=1 оно превращается в экспоненциальное, а при k =2 в распределение Релея. Это распределение может использоваться для аппроксимации реальных распределений на участках приработки (k<1), нормальной эксплуатации (k=1) и старения (k>1).

3. Аналитические методы расчета надежности

Расчет надежности - расчет, в результате которого получаются количественные значения показателей надежности исследуемого объекта. Целью расчета надежности является: сравнение вариантов при выборе технического решения; получение приближенных оценок показателей надежности.

Реальные объекты в большинстве случаев состоят из совокупностей взаимосвязанных элементов. При этом связь между элементами может быть не только физической или технической, но и в смысле надежности. При возможности расчленения сложной системы на отдельные элементы, для каждого из которых можно определить показатели надежности, для расчета надежности системы используются структурные схемы - модели надежности систем. Чаще всего структурная схема системы, построенная для решения задач надежности, не совпадает с функциональной схемой системы или конструктивной схемой соединения ее элементов. Модель надежности системы строится на основе анализа влияния определенного вида отказов элементов на надежность системы в целом.

Расчет надежности при последовательном соединении

При расчетах надежности последовательным называется такое соединение элементов, при котором отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения в целом. Последовательное соединение в указанном выше смысле не всегда совпадает с физическим последовательным соединением элементов. Отказы элементов предполагаются независимыми, то есть отказ любой группы элементов никак не повлияет на вероятностные характеристики остальных элементов. Элемент понимается в широком смысле слова - это один из самостоятельных участков последовательного соединения. Каждый элемент, включаемый в надежностную схему, характеризуется интенсивностью отказов li и вероятностью безотказной работы Pi(t); считают, что отказы отдельных элементов независимы между собой (хотя бы в первом приближении), поэтому вероятность безотказной работы изделия Pc(t) (по теории вероятностей):

Pc(t)=P1(t) * P2(t) * …* Pn(t)= ,

а интенсивность отказов изделия lc

lc=l1 + l2 + …+ ln =

(складываются показатели степени в выражении P=exp(-lt)), и тогда для среднего времени наработки на отказ Tc = 1/lc)

4. Расчет надежности системы с параллельным соединением элементов

При расчетах надежности параллельным называется такое соединение элементов, при котором отказ всего соединения в целом происходит при отказе всех элементов системы (элементы дублируют друг друга).

или Qc(t)=Q1(t) * Q2(t) * …* Qn(t)= ,

Расчет надежности системы с последовательно-параллельным соединением элементов Рассмотрим пример. Надежностная схема системы приведена на рисунке. Вероятности безотказной работы элементов соответственно равны P1(t), P2(t), P3(t).



Соединение элементов 1 и 3 параллельное и их вероятность безотказной работы равна P13(t)=1-(1-P1(t)) * (1-P2(t)) и последовательное соединение с элементом 2 Pc(t)=P13(t)*P2(t)

5. Логико-вероятностный подход к расчету надежности

Рассмотрим расчет надежности системы с несводимой к параллельно - последовательным

Система является работоспособной, если работоспособны:

1,2,3,4,5,6,7,8,9;

1,2,9,3,4;

……….

8,7,9,6,5;

8,7,9,3,5;

Работоспособность i-го элемента - Xi представляет собой функцию:



Таким образом, функция работоспособности системы представляет собой: Y=X1?X2 X3?X4 X5?X6 X7?X8?X9U X1?X2 X9?X3 X4U …UX8?X7 X9?X3 X5U X8?X7 X9?X3 X5

Функция работоспособности системы приводится к ортогональной форме (к виду, когда в ней нет повторяющихся членов и логические функции заменены на алгебраические аUb=a+b-a?b). Затем производится замена событий на вероятности.

Такой метод получил название логико-вероятностный.

Последовательность расчета надежности следующая:

1) сформулировать словесно условие работоспособности изделия;

2) на основании формулировки об условии работоспособности изделия записать логическую функцию работоспособности (минимизировать, исключить повторяющиеся члены);

3) преобразовать в случае необходимости логическую функцию работоспособности (минимизировать, исключить повторяющиеся члены);

4) в логической функции работоспособности заменить логические операции арифметическими;

5) в арифметической функции работоспособности заменить простые события их вероятностями;

6) в полученную формулу, устанавливающую связь между вероятностями состояний элементов и вероятностью состояний системы, подставить числовые значения вероятностей состояний элементов. Решением полученного уравнения определить числовое значение вероятности работоспособного состояния системы.

Другой способ расчета сложных систем основан на использовании марковских процессов.

Модель задается в виде состояний, в которых система может находиться, и возможных переходов из одного состояния в другое.

Допущение: нахождение состояния системы в данный момент времени не зависит от предыдущего состояния

l - показатель интенсивности отказа

m - показатель ремонтопригодности

На графике изображены следующие состояния:

Работают оба элемента системы

Отказ одного из элементов - ИС работоспособна

Отказ второго элемента - ИС неработоспособна

При представлении ИС с помощью данной модели используется теория марковских процессов, в том случае, если нахождение системы не зависит от того, в каком состоянии находилась ИС в прошлом.

Производная от вероятности нахождения системы в i - том состоянии равна алгебраической сумме произведений интенсивности перехода на вероятности соответствующих состояний. Тем произведениям, которым соответствуют уходящие из данного состояния стрелки, приписывают знак "-", а входящим - "+". Таким образом, для данной системы изображенной на рисунке, имеем:



Таким образом, используя приведенные методы можно получить приближенные значения показателей надежности технических объектов, что позволяет проводить анализ применяемых технических приемов и методов при проектировании и разработке.

6. Испытания на надежность

1. Значение и виды испытаний на надежность

Испытания на надежность - это определение показателей надежности объекта на основании непрерывного наблюдения за состоянием его работоспособности в условиях, предписанных методикой испытаний. Испытания на надежность являются обязательным видом испытаний при изготовлении изделий и при приемке их от заводов-изготовителей. Методики проведения таких испытаний регламентируются Государственными и отраслевыми стандартами.

Испытания на надежность могут дать объективную информацию о надежности объекта с учетом комплексного влияния всех действующих при его работе факторов. Вместе с тем испытания на надежность обладают и отрицательными сторонами:

1) они требуют больших затрат времени и средств. Кроме того, в процессе испытаний расходуется значительная часть ресурса изделия;

2) результаты испытаний на надежность часто обращены в прошлое: об изделиях, которые успешно выдержали испытания, можно сказать, что они до испытаний обладали такой -то надежностью и это подтверждено испытаниями.

Чтобы перенести выводы по результатам испытаний на надежность на период эксплуатации, необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего, необходима стабильность технологического процесса изготовления изделий, обеспечивающая устойчивость показателей надежности. Если все изделия, изготавливаемые по определенной технической документации, обладают одинаковой надежностью, то для определения показателей надежности большой совокупности изделия достаточно испытать некоторую выборку изделий из этой генеральной совокупности. Этот способ применим для изделий массового производства. Для объектов мелкосерийного и особенно индивидуального производства возникают серьезные затруднения. Пути их преодоления различны и зависят от конкретных условия производства и особенностей изделий. К таким путям относятся:

- обеспечение устойчивости показателей надежности объектов на значительном интервале времени, с тем, чтобы после проведения испытаний на надежность оставался необходимый интервал времени, на котором сохраняется обнаруженная при испытаниях надежность изделия;

- сочетание натурных испытаний с расчетом и моделированием.

По целевой направленности испытания на надежность подразделяются на определительные, контрольные и специальные.

Определительные испытания - испытания, в результате которых определяются количественные показатели надежности, как точечные (средняя наработка до отказа), так и интервальные (среднеквадратическое отклонение времени работы до отказа относительно среднего значения).

Контрольные испытания на надежность - испытания, в результате которых контролируемые изделия по некоторым признакам и с заданным риском относятся либо к категории годных, либо к категории негодных по уровню своей надежности. Такими признаками могут быть: отсутствие отказов на заданном интервале времени; число отказов в случайный момент времени и т.п. По результатам таких испытаний может быть сделан, к примеру, следующий вывод: изделия с риском поставщика (т.е. с вероятностью забраковать годные), равным 0,02, и риском заказчика -потребителя (т .е . вероятностью принять негодные), равным 0,03, могут быть отнесены к категории годных. Это менее информативный результат по сравнению с определительными испытаниями, но зато он требует меньшего объема испытаний.

Специальные испытания на надежность - испытания, предназначенные для исследования некоторых явлений, связанных с оценкой надежности (определение долговечности, анализ влияния отдельных факторов на показатели надежности и т .д .).

Специальные приемы, используемые при испытаниях на надежность.

В некоторых случаях целесообразно использование косвенных признаков прогнозирования отказов. Для современных технических систем все большее значение приобретает предупреждение отказов, а не их пассивная регистрация. Предупреждать же отказы можно только тогда, когда возможно прогнозирование их возникновения.

К наиболее распространенным прогнозирующим признакам относятся признаки, косвенным образом информирующие о надежности. Связь их с показателями надежности выражается сложными зависимостями. Если эти зависимости обнаружены и зафиксированы в виде графика, таблицы или математического выражения, то нетрудно по изменению косвенного признака определить прогнозируемую вероятность возникновения отказа.

В качестве прогнозирующих косвенных параметров могут, например, использоваться температура поверхности токоведущих элементов, зависящая от мощности рассеяния, которая, в свою очередь, зависит от сопротивления элемента. Повышение сопротивления часто предшествует обрыву цепи, поэтому изменение температуры может использоваться в качестве косвенного параметра, прогнозирующего отказ.

Пример использования косвенных параметров для прогнозирования отказов. S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Alerting and Reporting Technology) представляет собой набор средств для контроля за состоянием механических и электронных компонентов жесткого диска. Фактически это некоторая микропрограмма ("зашитая" в контроллер диска), регулярно замеряющая определенные параметры и сохраняющая полученные значения в энергонезависимой памяти (того же контроллера). К таким параметрам относятся: количество циклов включения/выключения питания, число наработанных часов, время разгона шпинделя до нормативной скорости и др. Всего стандартизовано несколько десятков подобных характеристик, хотя каждый производитель жестких дисков реализует контроль только за 10--15 наиболее важными, на его взгляд.

Изначально всякому атрибуту присваивается условное (нормализованное) значение 100, реже -- 200, а также определяется более низкий пороговый уровень (threshold), достижение которого свидетельствует о том, что те или иные компоненты выработали свой ресурс. В процессе функционирования диска микропрограмма контролирует необходимые параметры и по определенным законам изменяет значения атрибутов -- обычно уменьшает, хотя в ряде случаев возможно и обратное. Кроме того, вычисляются и сохраняются дополнительные характеристики: актуальное (или "сырое") значение каждого параметра (например, точное число отработанных часов); наилучшее и наихудшее значения атрибутов за время функционирования; признаки предаварийного состояния жесткого диска.

Чтобы испытания на надежность были менее трудоемкими и менее дорогостоящими, применяют специальные приемы:

1) ускорение испытаний путем использования таких режимов, которые приводят к ускорению процесса возникновения отказов;

2) прогнозирование отказов по изменению тех или иных параметров объекта;

3) использование предварительной информации о надежности испытуемого изделия, а также принципа накопления информации, полученной из различных источников.

Совмещенными называются испытания, при которых определение (контроль) показателей надежности совмещаются с экспериментальным исследованием других параметров изделия. Ускоренными называются любые испытания, при которых используются те или иные методы сокращения времени испытаний. Форсированными называются ускоренные испытания, при которых ускорение достигается ужесточением (формированием) режимов с целью набора необходимого количества статистической информации за более короткое время.

2. Организация и проведение испытаний

Вопросы организации испытаний, сбора и предварительной обработки информации являются общими и одинаково важными при любых видах испытаний на надежность - определительных и контрольных, нормальных и ускоряемых, специальных и совмещенных. При организации испытаний следует обратить внимание на следующие факторы: режим эксплуатации изделия при испытаниях (непрерывный или циклический); характер внешних воздействий (механические, климатические, электрические); объекты сбора статистики; правила и порядок контроля работоспособности изделия; состав информации, которую необходимо фиксировать для анализа и оценки надежности; правило прекращения испытаний.

От степени проработки этих вопросов при подготовке испытаний зависит достоверность получаемых оценок показателей надежности.

В процессе планирования испытаний на надежность необходимо установить:

1) признаки отказов;

2) показатель или номенклатуру показателей надежности в зависимости от назначения объекта и требованиям к надежности;

3) условия испытаний (электрические режимы, климатические условия, механические нагрузки, и др.);

4) способ контроля работоспособности;

5) способ замены отказавших объектов (Возможны следующие стратегии: отказавшие изделия не заменяются до конца испытаний, заменяются немедленно после отказа, группой после того, как количество отказавших элементов достигнет заданного уровня);

6) количество испытываемых объектов;

7) правило окончания испытаний (возможны следующие варианты: испытания заканчиваются по истечении заданного времени Т, после R-го отказа, после отказа всех объектов).

Достоверность первичной информации обеспечивается полнотой и регулярностью записей, а также глубиной и o6ъективностью анализа причин отказов. Важно иметь в виду, что недостоверные первичные данные невозможно улучшить даже самой тщательной статистической обработкой.

Чаще всего применяются следующие планы испытаний:

1. На испытание ставится N изделий. Отказавшие изделия не восстанавливаются. Испытания продолжаются до отказа всех изделий (план NUN).

2. На испытания ставится N изделий. Отказавшие изделия не восстанавливаются. Испытания продолжаются до заданного времени T (план NUT).

3. На испытания ставится N изделий. Отказавшие изделия не восстанавливаются. Испытания продолжаются до получения заданного числа отказов R (план NUR).

4. На испытания ставится N изделий. В процессе испытаний отказавшие изделия восстанавливаются. Испытания продолжаются до заданного времени T (план NRT).

5. На испытания ставится N изделий. В процессе испытаний отказавшие изделия восстанавливаются. Испытания продолжаются до получения заданного числа отказов R (план NRR).

Наиболее распространенными учетными документами при экспериментальных оценках надежности являются аппаратный журнал и карточка учета неисправности.

Целесообразно, чтобы аппаратный журнал служил не только для учета наработки, включений, выключений и фиксации нарушений работоспособности изделия, но и рабочим дневником испытателя. Журнал является первичным документом, в котором в хронологическом порядке отражается состояние изделия, все проводимые в процессе испытаний или эксплуатации работы, а также все замечания обслуживающего персонала по качеству функционирования, удобству обслуживания и ремонта и т.п. Записи в аппаратном журнале служат, как правило, основанием для заполнения карточки учета неисправности.

Карточка учета неисправностей заполняется по данным аппаратного журнала с привлечением другой информации (в том числе из ремонтных органов) и представляет собой своеобразный протокол по каждой неисправности. Карточки являются весьма удобной формой накопления статистической информации, учитывая в особенности необходимость последующей сортировки и классификации отказов по различным признакам при первичной обработке результатов испытаний.

3. Задачи определительных испытаний

Основной задачей определительных испытаний является задача определения закона распределения случайной величины (или системы случайной величины) по статистическим данным. Так как исчерпывающей характеристикой надежности устройств с непрерывным характером работы служит закон распределения времени безотказной работы. Если известен вид закона и его параметры, то легко определить любую, интересующую нас характеристику надежности.

Доказано, что закономерности, наблюдаемые в случайных явлениях, проявляются тем точнее и отчетливее, чем больше объем статистического материала. При обработке обширных по своему объему статистических данных часто возникает вопрос об определении законов распределения тех или иных случайных величин. Теоретически, при достаточном количестве опытов свойственные этим случайным величинам закономерности будут осуществляться сколь угодно точно. На практике нам всегда приходится иметь дело с ограниченным количеством данных; в связи с этим результаты наблюдений и их обработки всегда содержат больший или меньший элемент случайности. Возникает вопрос о том, какие черты наблюдаемого явления относятся к постоянным, устойчивым и действительно присущи ему, а какие являются случайными и проявляются только за счет ограниченного объема экспериментальных данных. Естественно, к методике обработки экспериментальных данных следует предъявить такие требования, чтобы она, по возможности, сохраняла типичные, характерные черты наблюдаемого явления и отбрасывала все несущественное, второстепенное, связанное с недостаточным объемом опытного материала. В связи с этим возникает характерная для математической статистики задача сглаживания или выравнивания статистических данных, представления их в наиболее компактном виде с помощью простых аналитических зависимостей.

Практически подавляющее большинство статистических распределений, встречающихся при исследовании информационных систем, можно описать одним из следующих пяти стандартных распределений: нормальному, логарифмически-нормальному, гамма, Вейбулла, равномерному. Поэтому чаще возникает задача проверки правдоподобия гипотез.

Эта задача тесно связана с предыдущей; при решении такого рода задач мы обычно не располагаем настолько обширным статистическим материалом, чтобы выявляющиеся в нем статистические закономерности были в достаточной мере свободны от элементов случайности. Статистический материал может с большим или меньшим правдоподобием подтверждать или не подтверждать справедливость той или иной гипотезы. Например, может возникнуть вопрос: согласуются ли результаты эксперимента с гипотезой о том, что данная случайная величина подчинена какому-то закону распределения F(x)? В таком случае проверяется согласие теоретического (предполагаемого) и экспериментального распределений по критериям согласия математической статистики (критерию c-квадрат, Колмогорова-Смирнова и др.). Если проверка по критериям согласия дала положительный результат, то можно переходит к задаче определения неизвестных параметров распределения

Часто при обработке статистического материала вовсе не возникает вопрос об определении законов распределения исследуемых случайных величин. Обыкновенно это бывает связано с крайне недостаточным объемом экспериментального материала. Иногда же характер закона распределения качественно известен, из теоретических соображений; например, часто можно утверждать заранее, что случайная величина подчинена нормальному закону. Тогда возникает более узкая задача обработки наблюдений -- определить только некоторые параметры (числовые характеристики) системы случайных величин. При небольшом числе опытов задача более или менее точного определения этих параметров не может быть решена; в этих случаях экспериментальный материал содержит в себе неизбежно значительный элемент случайности; поэтому случайными оказываются и все параметры, вычисленные на основе этих данных. В таких условиях может быть поставлена только задача об определении так называемых «оценок» или «подходящих значений» для искомых параметров, т.е. таких приближенных значений, которые при массовом применении приводили бы в среднем к меньшим ошибкам, чем всякие другие.

4. Контрольные испытания на надежность

В процессе производства изделия подвергаются различным видам контроля, предусмотренным программой обеспечения качества и надежности. Так, входному контролю подлежат многие комплектующие изделия. На промежуточных этапах технологического цикла контролируется качество функциональных узлов и блоков. Наиболее полная проверка качества изделий осуществляется при выходном контроле производства.

Перечисленные виды контроля имеют целью установить уровень качества. Изделия, благополучно прошедшие все виды контроля качества, объявляются кондиционными. Однако этого недостаточно для успешной работы изделий на местах эксплуатации. Необходимо установить, насколько устойчиво качество изделий во времени. С этой целью и проводятся контрольные испытания надежности. Они осуществляются по окончании всех других видов контроля и предназначены для того, чтобы определить, удовлетворяет ли данная партия изделий заданным требования по надежности.

Конечным результатом, как правило, является одно из двух решений: считать партию хорошей, то есть удовлетворяющей требованиям к надежности, или забраковать ее как ненадежную. Важная особенность контроля надежности заключается в том, что решение о приемке и браковке принимается по отношению не к отдельным изделиям, как при выходном контроле качества, а к целой партии, однородной в смысле начального уровня качества (все изделия в партии кондиционные), причем только к той партии, которая испытывается, но ко всем партиям большого объема.

В зависимости от выбора контролируемой характеристики надежности все планы контроля делятся на две группы: планы контроля вероятности отказа и планы контроля параметров распределения.

При контроле вероятности отказа требования к надежности задаются с помощью двух чисел Q0 и Q1. Если вероятность отказа Q?Q0, то партия считается «надежной», если Q? Q1, то партия считается «ненадежной». При контроле надежности принципиально нельзя ограничиваться заданием только одного числа, так как в этом случае не удается обеспечить равные условия по уровням рисков и принять неверное решение (кондиция и брак). Контрольные испытания заканчиваются принятием одной и конкурирующих гипотез: H0 - партия кондиционная (0< Q?Q0), H1 - партия некондиционная (Q1Q<1). Поскольку статистическое решение принимается на основе неполной информации, существует конечная вероятность совершить ошибку первого рода a (хорошая партия забракуется)- риск поставщика или второго (плохая партия принимается) рода b - риск заказчика.

Значения a, b, Q1 и Q0 являются исходной информацией для расчета параметров плана контроля. Используется 3 метода статистического контроля надежности: однократной выборки, двукратной выборки и последовательного контроля.

При однократной выборке существует один приемочный норматив c. Если при испытании партии из N изделий отказали m из них, то решение принимается согласно правилу: m?c - партия кондиционная (верна H0); m>c - партия некондиционная (верна H1).

При двухкратной выборке существует два этапа. На первом этапе по результатам испытаний n1 изделий с помощью двух приемочных нормативом c1 и c2 выносится одно из трех решений: m1?c1 - партию принять (верна H0); m1>c2 - партию забраковать (верна H1); c1<m1< c2 -произвести повторную выборку. Далее испытывается еще n1 изделий, определяется число отказавших изделий и выносится решение: m2?c3 - партия кондиционная (верна H0); m2>c3 - партия некондиционная (верна H1).

При последовательном контроле приемочные нормативы рассчитываются не в виде отдельных чисел, а виде двух функций c1(N) и c2(N). Для каждого конкретного N определяется число отказавших изделий m(N) и сравнивается с граничными значениями c1 и c2. Объем контролируемой партии N изменяется от некоторого минимума до такого значения, когда будет принята одна из гипотез: H0 и H1.

7. Способы повышения надежности технических средств

1. Факторы, влияющие на надежность

Все факторы, влияющие на надежность ИС, можно разделить на три группы: конструктивные, производственные и эксплуатационные.

К конструктивным относят факторы, способные еще на этапе проектирования и конструирования определить условия возникновения последующих отказов аппаратуры и ПО. К ним относятся выбор типов элементов (элементной базы); выбор принципиальной, электрической, гидравлической, структурной, логической и других схем; выбор режимов работы элементов; выбор уровня автоматизации проектирования; выбор технологии программирования; организация технологического процесса (ТП) разработки ПО.

К производственным относят факторы, возникающие в процессе изготовления АПК и воздействующие на его надежность. Такими факторами являются контроль качества материалов и элементов, получаемых от поставщиков; входной контроль покупных комплектующих изделий (ПКИ); организация ТП производства; организация процесса настройки и наладки аппаратуры, процессов тестирования ПО на технических средствах, входящих в состав АПК; контроль качества продукции, в том числе качества ПО.

К эксплуатационным факторам относятся внешние воздействующие факторы (ВВФ) и мероприятия, проводимые при техническом обслуживании (ТО) аппаратуры. В зависимости от характера воздействия на изделия все возможные ВВФ делят на шесть классов: механические факторы: климатические и другие природные факторы; радиационные факторы; термические факторы; ВВФ электромагнитных полей; ВВФ специальных, в том числе агрессивных, сред.

Техническое обслуживание

Техническое обслуживание служит целям поддержания информационной системы в рабочем состоянии, а также обеспечения требуемой эффективности ее функционирования.

Действия, выполняемые в рамках технического обслуживания, можно разделить на профилактические и восстановительные.

Профилактическое обслуживание аппаратуры представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предупреждение ее отказов и продление сроков службы. Сущность профилактики состоит в выявлении всех износившихся или постаревших элементов изделия, в восстановлении их или замене новыми, а также в обнаружении всех отклонившихся от нормы параметров и возвращение их тем или иным путем к норме. Профилактика проводится регулярно в соответствии с существующими нормами и регламентами. Лучше всего проработаны вопросы профилактики оборудования. Обычно производитель указывает в инструкции по эксплуатации, какие действия и с какой периодичностью должны быть выполнены.

Профилактика программ и данных состоит в контроле их целостности и резервном копировании.

К профилактическим действиям относится анализ регистрационной информации на предмет обнаружения симптомов сбоев и снижения производительности, которые можно устранить во время очередного профилактического обслуживания, избежав тем самым возникновения нештатных ситуаций в работе ИС.

Восстановительные работы проводятся после отказа в ИС или недопустимого снижения производительности. Здесь можно выделить этапы диагностики, замены отказавших компонентов, восстановления данных и возвращения системы в штатный режим.

2. Обеспечение надежности на всех этапах жизненного цикла объекта

Вопросам обеспечения надежности ИС уделяется внимание на всех этапах жизненного цикла изделия - при проектировании, производстве, эксплуатации и ремонте. Ни одно техническое изделие нельзя считать удовлетворительным, как бы хорошо оно не выглядело в замыслах специалистов, если оно не прошло проверки по критерию надежности. Планирование уровня надежности и реализация этих планов в технических решениях и технической документации происходит при проектировании, происходящем в несколько стадий.

При разработке технического задания выбирают и обосновывают номенклатуру показателей надежности, подлежащих в дальнейшем обеспечению, оценке и подтверждению, устанавливают нормы надежности и объемы испытаний на различных стадиях разработки.

При разработке технического предложения и эскизного проекта определяют требования к надежности комплектующих изделий, исходя из требований к надежности изделия. Разрабатывают рекомендации по нормам электрических, климатических и механических нагрузок на элементы изделия.

При техническом проектировании особое внимание уделяют рациональной компоновке оборудования, которая должна обеспечить требуемые климатические и механические режимы работы элементов, упростить работу обслуживающего персонала по техническому обслуживанию и подготовке системы к работе. Оцениваются показатели ремонтопригодности с учетом особенностей конструкции, системы контроля работоспособности и диагностирования. При необходимости создают макеты и проводят их испытания, по результатам которых корректируются функционально-конструкторское решение изделия.

На этапе производства важным фактором обеспечения надежности являются точное соблюдение технологического процесса, контроль качества выполнения всех операций, автоматизация производственных процессов, обеспечивающая поддержание высокой стабильности технологических процессов. Внедрение международных стандартов серии ISO 9000, разработанных Международной организации по стандартизации (ISO) позволяет обеспечить высокое качество и надежность работ.

На этапе применения изделия по назначению, заложенные при проектировании и производстве значения показателя надежности будут поддерживаться только при выполнении условий и правил эксплуатации согласно эксплуатационной документации.

Таким образом, на всех этапах жизненного цикла ИС уделяется пристальное внимание.

3. Способы повышения надежности

Способы повышения надежности можно разделить на четыре группы:

1) уменьшение наработки

2) снижение интенсивности отказов;

3) улучшение восстанавливаемости;

4) резервирование (введение избыточности).

Уменьшение наработки для выполнения определенного объема работ достигается выбором более быстродействующих элементов и высокопроизводительных устройств при проектировании. При эксплуатации уменьшить наработку можно полным или частичным выключением системы или ее отдельных устройств в паузе между рабочими сеансами. Например, в ПК предусмотрены так называемые схемы управления питанием, которые отключают монитор, поток ЖД, и переводят процессор в режим при отсутствии внимания к ПК со стороны пользователя. Следует отметить, что сохранить надежность системы путем сокращения времени ее непрерывной работы можно лишь, если число включений и выключений мало, т.е. система работает сравнительно с большой скважностью. При частом включении и выключении переходные процессы оказывают сильное вредное воздействие.

Уменьшение интенсивности отказов актуально на всех этапах жизненного цикла ИС. На этапе проектирования - за счет комплектации системы элементами повышенной надежности, как высокотехнологичных элементов, так и за счет входного контроля. Создания оптимального температурного режима, снижение электрической нагрузки, конструктивные методы защиты от механических и других внешних воздействий (например, герметизация) позволяют уменьшить интенсивность отказов. Следует отметить, что существенно повысить надежность системы может уменьшение сложности системы. (Вероятность отказа системы складывается из произведения вероятности отказов всех ее элементов). Однако создание простых схем является одной из наиболее трудных технических задач.

На этапе эксплуатации - приведение условий эксплуатации в соответствие с требованиями, при которых гарантируются паспортные данные по надежности и организация профилактического обслуживания.

Улучшение восстанавливаемости. Восстановление ИС требует выполнения ряда процедур: обнаружение неисправности, поиск неисправности (локализация), удаление его из системы, включение в систему исправного элемента из резерва, ремонт неисправного элемента, установка замененного элемента в рабочее состояние, проверка его работоспособности, проверка работоспособности всей системы, и, наконец, возобновление функционирования всей системы. Таким образом, обнаружение неисправности - обязательная процедура в процессе восстановления, которая обеспечивается средствами контроля и диагностики.

Резервирование - способ обеспечения надежности за счет применения дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Этот способ предусматривает замену отказавших частей аппаратуры резервными при условии, что резервная аппаратура входит конструктивно и функционально в состав рассматриваемой аппаратуры. Включение резерва может быть произведено в ручную или автоматически, в некоторых случаях резерв может быть функционально связан с основной аппаратурой так, что специального включения не требуется. Если же для восстановления работоспособности аппаратуры требуется удалить отказавшую часть аппаратуры, а вместо нее вставлять или вмонтировать аналогичную исправную, то речь идет не о резервировании, а о ремонте. Программное обеспечение может быть также резервировано.

8. Резервирование в ИС как метод повышения надежности на этапе их создания и разработки

1. Виды резервирования

Резервирование - способ обеспечения надежности за счет применения дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.. Этот способ предусматривает замену отказавших частей аппаратуры резервными при условии, что резервная аппаратура входит конструктивно и функционально в состав рассматриваемой аппаратуры. Включение резерва может быть произведено в ручную или автоматически, в некоторых случаях резерв может быть функционально связан с основной аппаратурой так, что специального включения не требуется. Если же для восстановления работоспособности аппаратуры требуется удалить отказавшую часть аппаратуры, а вместо нее вставлять или вмонтировать аналогичную исправную, то речь идет не о резервировании, а о ремонте. Программное обеспечение может быть также быть резервировано. Иногда вместо термина "резервирование" используется "введение избыточности". Под избыточностью понимают превышение веса, габаритов, производительности, стоимости и других технико-экономических характеристик. Введение избыточности не означает автоматического улучшения показателей надежности. Чтобы улучшение произошло, необходимо соответствующим образом управлять избыточными ресурсами, создать определенные условия и правила их использования, а в некоторых случаях предусмотреть специальные технические и программные средства активации этих ресурсов.

В ИС различают 5 видов резервирования: структурное, временное, функциональное, информационное и алгоритмическое.

1. Структурное резервирование - резервирование с применением резервных элементов структуры объекта. Структурное резервирование реализуется введением в систему резервных (избыточных) элементов, которые при абсолютной надежности элементов исходной системы не являются функционально необходимыми, а используются системой после отказа основных элементов. При структурном резервировании элементов (или цепей) системы показатели надежности повышаются дискретно (скачками). Характерной особенностью структурного резервирования является то, что в идеально надежной системе все резервные элементы могут быть удалены из системы без какого-либо ухудшения качества ее функционирования.

В системе со структурным резервом не любой отказ элемента приводит к отказу системы, так как работа системы поддерживается за счет перестройки (реконфигурации) структуры и подключения резервных элементов. Отказ системы наступает только тогда, когда нарушение работоспособности в одном из основных элементов не удается компенсировать своевременным подключением работоспособного резервного элемента (группы элементов).

Преимуществом структурного резервирования, объясняющим его широкое применение, является то, что введение резервной аппаратуры, увеличивая суммарную интенсивность отказов элементов (основных и резервных), существенно уменьшает интенсивность отказов системы. Как следствие, улучшаются другие показатели надежности. При наличии потока отказов элементов структурное резервирование позволяет обеспечить непрерывную работу системы в течение промежутка времени, во много раз превосходящую среднюю наработку до отказа нерезервированной системы. В системах, состоящих из нескольких одновременно работающих устройств одинаковой производительности, в которой отказ одного из устройств снижает общую производительность системы, структурное резервирование стабилизирует производительность системы

2. Функциональное резервирование - способ повышения надежности использующий свойство технических систем обеспечивать при отказах элементов безотказное функционирование за счет перераспределения функций и более интенсивной работы элементов, выполнявших до отказа только свои основные функции. Выполнять дополнительные функции они способны лишь временно, и это может сопровождаться некоторым ухудшением общего качества работы, но в допустимых пределах. При функционировании в системе нет лишних элементов - они все необходимы для выполнения требуемого набора функций. Характерной особенностью такого вида резервирования является как раз то, что даже их идеально надежной системы нельзя удалить ни одного элемента, не вызвав перераспределения функций элементов и увеличения их функциональной нагрузки уже на постоянной основе, возможно, с переходом на более тяжелые режимы работы.