Развитие и совершенствование основ расчетов надежности

Наиболее известным является расчет надежности простых систем методом структурных схем, отказы элементов которых носят внезапный, независимый характер и подчиняются экспоненциальному закону распределения. При этом расчет включает следующие этапы:

- разработка структурной схемы расчета надежности на основании физических представлений о работе системы. Структурная схема расчета надежности представляет в общем случае цепь расчета последовательно и параллельно соединенных элементов системы;

- составление уравнения расчета на основании структурной схемы;

- определение показателей надежности исследуемой системы.

Количественные показатели надежности определяются в результате расчетов. Они проводятся и при проектировании, и на заключительном этапе испытаний, и при анализе результатов эксплуатации. Расчеты принято делить на две группы:

1. Расчеты, основанные на анализе структуры изделия и заданных условий работы. Их принято называть расчетно-аналитическими, или расчетами надежности.

2. Расчеты, связанные с обработкой результатов эксперимента. Они называются расчетно-экспериментальными, или обработкой опытных данных.

Обычно расчеты надежности связаны с предварительным выявлением закономерностей, которым подчиняются изменения действующих факторов, а именно: характер процесса возникновения отказов и процесса восстановления работоспособности, связь между набором входных величин и действием отказов элементов объекта, предполагаемый закон распределения входных величин, влияние используемого способа резервирования, внешних факторов и т.д. Поэтому, как правило, расчеты надежности приобретают все черты, присущие исследованиям сложных, изменяющихся во времени процессов, предсказание характеристики которых называется прогнозированием. Но так как исходные данные, используемые при расчетах, могут определяться с различной степенью прогнозирования, поэтому и расчеты надежности по степени прогнозирования могут быть различными.

Методы расчета надежности находятся в состоянии непрерывного развития. Первые рекомендации сводились к расчетам простых изделий без учета постепенных отказов и влияния контроля и профилактики. Развитие теории надежности сопровождалось большим числом работ в области расчетов. Главное внимание на первых этапах этих работ обращалось на разработку способов резервирования и методов расчета надежности при различном резервировании. Это объяснялось тем, что резервирование оказалось наиболее эффективным средством повышения надежности при рациональном его использовании.

Наиболее употребительные методы резервирования можно разделить на следующие три группы:

- элементное или системное резервирование, при котором в объекте наряду с основными элементами имеют место резервные. Способы включения их разнообразны (параллельное, последовательное, комбинированное, поэлементное, общее, мостиковое, по избирательной схеме, постоянное, с переключающими устройствами и т.д.);

- временное резервирование, при котором предусматривается запас (резерв) времени на выполнение заданных функций. Этот резерв времени позволяет многократно повторять рабочую операцию, обнаруживать отказ и устранять его. Отказ в период резервного времени не приводит к катастрофическим последствиям и его можно не учитывать при расчетах;

- функциональное резервирование, при котором система обладает функциональной избыточностью, т.е. при отказах в системе она продолжает выполнять заданную функцию;

- информационное резервирование, когда при передаче и представлении информации используются добавочные (резервные, избыточные) средства представления (дополнительные кодовые разряды, коды с обнаружением ошибок и т. п.).

Информационная избыточность позволяет исключить искажения в передаче информации даже при наличии отказов в аппаратуре передачи и отображения и поэтому по своему воздействию на надежность относится к категории резервирования.

Направления совершенствования расчетных методов:

1. Разработка и совершенствование методов расчета резервированной аппаратуры, включая и аппаратуру с автоматическим перестроением структуры (адаптирующаяся аппаратура), явилось одним из первых и главных направлений совершенствования расчетных методов.

2. Разработка методов расчета, учитывающих влияние контроля и восстановления работоспособности. Это направление работ также было вызвано потребностью практики, так как при использовании высоконадежной и сложной системы было обнаружено, что для обеспечения высокой надежности такой системы необходим контроль за ее техническим состоянием и рационально организованное обслуживание, связанное с заменой деталей и узлов.

Виды контроля: контроль полный и ограниченный; контроль программный и аппаратурный; контроль непрерывный, периодический и контроль в случайные интервалы времени. Восстановление работоспособности систем также стало разнообразным (полное и частичное, с потерей и без потери времени и т. д.). Все это потребовало разработки новых приемов расчета надежности, учитывающих влияние на надежность разнообразных способов контроля и восстановления работоспособности.

3. Работы в области расчетов надежности сложных систем. Обычные методы расчета надежности, ориентированные на простые системы, оказались непригодными для расчета сложных систем. Это сделало необходимым разработку специальных методов расчета.

4. Работы по расчетам так называемой функциональной и параметрической надежности. Все расчетные методы на первых этапах развития теории надежности были основаны на учете внезапных, полных отказов и на предположении о том, что они подчиняются экспоненциальному закону распределения. Общепринятым считалось также, что отказ системы вызывается отказами ее составных частей, поэтому интенсивность отказов системы определяется как сумма интенсивностей отказов ее составных элементов, скорректированная с учетом применяемого резервирования и восстановления. Такой подход, т.е. элементный расчет надежности, не потерял своего значения и на современном этапе, однако он стал недостаточным.

Очень часто требуется определить не вероятность того, что откажет элемент или группа элементов системы, а вероятность того, что системой будет выполнена заданная рабочая функция. Такая задача стала особенно актуальной с внедрением в технику логических элементов, т. е. устройств, с помощью которых решаются логические задачи. Расчет надежности, при помощи которого решают задачу выполнения заданных рабочих функций, получил наименование расчета функциональной надежности.

5. Разработка инженерных методов расчета функциональной и параметрической надежности. Расчет параметрической надежности сопровождается изучением изменений параметра или группы параметров, определяющих работоспособность системы, и не выйдут за пределы допуска с течением времени и определением вероятности выхода их за допустимые пределы.

Расчет параметрической надежности по существу своему является продолжением обычных инженерных расчетов, которые проводятся в процессе проектирования системы. При проектировании рассчитываются основные характеристики назначения и параметры: устойчивость, точность и т.д.