Надёжность инструментальных систем

В других случаях  надежность может выражаться через  вероятность выполнения задачи. Например, надежность полетов гражданской  авиации может быть безразмерной, или иметь размерность в процентах, как это делается в практике системной  безопасности. В отдельных случаях  успешным результатом системы может  являться единоразовое срабатывание. Это актуально для систем, которые рассчитаны на срабатывание всего 1 раз: например, подушки безопасности в автомобиле. В этом случае задается вероятность срабатывания или, как, например, для ракет, вероятность попадания в цель. Для таких систем мерой надежности является вероятность срабатывания. Для восстанавливаемых систем может задаваться такой параметр, как среднее время восстановления (ремонта) и время проверки (тестирования). Часто параметры надежности задаются в виде соответствующих статистических доверительных интервалов.

 

 

Моделирование надежности

 

Моделирование надежности – это процесс прогнозирования  или исследования надежности компонент  или системы до ее ввода в эксплуатацию. Наиболее часто для моделирования  надежности систем используются методы анализа деревьев неисправностей и  структурных схем надежности. Входные  параметры для моделирования  надежности систем могут быть получены из разных источников, то есть из справочников, отчетов об испытаниях и эксплуатации и т.п. В любом случае, данные должны быть использованы с большой осторожностью, так как прогнозы верны только тогда, когда данные получены при  тех же условиях, при которых компоненты будут применяться в системе.

Часть данных о прогнозировании может быть получена по результатам исследований двух основных видов:

анализа физики отказов, при котором исследуются  механизмы возникновения отказов, например, механизм усталостного разрушения или деградации от химической коррозии;

анализа результатов  стресс-испытаний, эмпирического метода, при котором подсчитывается число компонентов системы, отказавших при разных уровнях внешнего воздействия.

Для систем, в которых точно можно определить время отказа (что не дано для  систем с плавающими параметрами), может  быть определена эмпирическая функция  распределения времени отказа. Это  делается чаще всего при проведении испытаний с повышенным уровнем  стресса (ускоренные испытания). Эти  испытания делятся на две основные категории:

определение распределения отказов ранней стадии эксплуатации при наблюдении снижающейся  интенсивности отказов, что является первой частью ваннообразной кривой интенсивности отказов. Здесь обычно используют умеренный уровень нагрузок. Они прикладываются на ограниченном отрезке времени, который называют временем цензурирования. Именно поэтому здесь определяется только часть функции распределения.

безотказовые наблюдения (нулевые эксперименты), которые дают возможность получить лишь ограниченную информацию о распределении отказов. В этом случае испытания проводятся на коротком отрезке времени на малой по объему выборке, что позволяет получить только верхнюю границу оценки интенсивности отказов. Во всяком случае, это удобно для заказчика.

Для исследования средней части распределения, которая  чаще всего определяется свойствами материалов, необходимо применять повышенные нагрузки на достаточно малом отрезке  времени. В таких видах ускоренных испытаний применяются несколько  степеней нагрузки. Часто эмпирическое распределение этих отказов параметризируется  законом Вейбулла или лог-нормальным распределением.

Общей практикой  моделирования «ранней» интенсивности  отказов является использование  экспоненциального распределения. Это менее сложная модель для  распределения времени отказа, содержащая только один параметр – постоянную интенсивность отказов. В этом случае в качестве критерия согласия может  быть использован критерий хи-квадрат для оценки постоянства интенсивности отказов. По сравнению с уменьшающейся интенсивностью отказов это довольно пессимистическая модель и требует проведения анализа чувствительности.

Надежность на этапе проектирования

Надежность  на этапе проектирования является новой  дисциплиной и относится к  процессу разработки надежных изделий. Этот процесс включает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения, которыми должна владеть организация для обеспечения высокой надежности и ремонтопригодности разрабатываемого продукта с целью достижения высоких показателей готовности, снижения затрат и максимального срока службы продукта. Как правило, первым шагом в этом направлении является нормирование показателей надежности. Надежность должна быть «спроектирована» в системе. При проектировании системы назначаются требования к надежности верхнего уровня, затем они разделяются на определенные подсистемы разработчиками, конструкторами и инженерами по надежности, работающими вместе. Проектирование надежности начинается с разработки модели. При этом используют структурные схемы надежности или деревья неисправностей, при помощи которых представляется взаимоотношение между различными частями (компонентами) системы.

Одной из наиболее важных технологий проектирования является введение избыточности или резервирование. Резервирование – это способ обеспечения  надежности изделия за счет дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций (ГОСТ 27.002). Путем введения избыточности совместно с хорошо организованным мониторингом отказов, даже системы с низкой надежностью по одному каналу могут в целом обладать высоким уровнем надежности. Однако введение избыточности на высоком уровне в сложной системе (например, на уровне двигателя самолета) очень сложно и дорого, что ограничивает такое резервирование. На более низком уровне системы резервирование реализуется быстро и просто, например, использование дополнительного соединения болтом.

Существует  много методик анализа надежности, специфических для отдельных  отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

Анализ видов  и последствий отказов (АВПО)

Имитационное  моделирование надежности

Анализ опасностей (Hazard analysis)

Анализ структурных  схем надежности (RBD)

Анализ деревьев неисправностей

Ускоренные  испытания

Модели ускорения  жизни

Модели деградации

Анализ роста  надежности

Вейбулл-анализ (анализ эмпирических данных испытаний и эксплуатации)

Анализ смеси  распределений

Устранение  критичных отказов

Анализ ремонтопригодности, ориентированной на безотказность

Анализ диагностики  отказов

Анализ ошибок человека-оператора

Инженерные  исследования проводятся для определения  оптимального баланса между надежностью  и другими требованиями и ограничениями. Существенную помощь при инженерном анализе надежности могут оказать  программные комплексы для расчета  надежности.

 

 

Испытания на надежность

Испытания на надёжность проводятся для того, чтобы  на более ранних этапах жизненного цикла изделия обнаружить потенциальные  проблемы, обеспечить уверенность, что  система будет отвечать заданным требованиям.

Испытания на надежность могут проводиться на разных уровнях. Сложные системы  могут испытываться на уровне компонент, устройств, подсистем и всей системы  в целом. Например, испытания компонент  на воздействие внешних факторов может выявить проблемы перед  тем, как они будут обнаружены на более высоком уровне интеграции. Проведение испытаний на каждом уровне интеграции до испытания всей системы  с одновременным развитием программы  испытаний позволяет снизить  риск неудачи такой программы. Расчет надежности производится на каждом уровне испытаний. При этом часто используются такие методы, как анализ роста  надежности и системы отчета и  анализа отказов и корректирующих действий (FRACAS). Недостатками таких  испытаний являются время и затраты. Заказчики могут пойти на некоторый  риск и отказаться от испытаний на более низких уровнях.

Некоторые системы  принципиально не могут подвергаться испытаниям, например, из-за чрезмерно  большого числа различных тестов или жестких ограничений по времени  и затратам. В таких случаях  могут быть использованы ускоренные испытания, методы планирования экспериментов  и моделирование.

Отметим, что  сегодня все чаще и чаще применяются  так называемые ускоренные испытания  в динамически меняющейся среде  для оценивания качества и надежности высококачественной и высоконадежной продукции, в том числе и структурно-сложных  систем с учетом их старения, усталости, износа и деградации в ходе их эксплуатации. Для этого за последние двадцать лет в статистике ускоренных испытаний разработаны специальные модели ускорения жизни (см., например, Nelson (1990), Meeker and Escobar (1998), Singpurvalla (1995)), которые хорошо адаптированы для статистического анализа данных об отказах, наблюдаемых как при меняющихся во времени стрессах (нагрузках, ковариантах), так и при наличии деградационных процессов, которые также могут зависеть от этих стрессов.

Надежность и безопасность

Надежность  в инженерной практике отличается от безопасности отношением к видам  опасностей, с которыми она имеет  дело. Надежность в технике главным  образом связана с определением стоимостных показателей. Они относятся к тем опасностям в смысле надежности, которые могут перерасти в аварии с частичной потерей доходов для компании или заказчика. Это может произойти из-за потери по причине неготовности системы, неожиданно высоких затрат на запасные части и ремонт, перерывов в нормальной работе и т.п. Безопасность относится к тем случаям проявления опасности, которые могут привести к потенциально тяжелым авариям. Требования по безопасности функционально связаны с требованиями по надежности, но характеризуются более высокой ответственностью. Безопасность имеет дело с нежелательными опасными событиями для жизни людей и окружающей среды в том же смысле, что и надежность, но не связана напрямую со стоимостными показателями и не относится к действиям по восстановлению после отказов и аварий. У безопасности другой уровень важности отказов в обществе и контроля со стороны государства. Безопасность часто контролируется государством (например, атомная промышленность, космос, оборона, железные дороги и нефтегазовый сектор).

Отказоустойчивость

Надежность  может быть увеличена при использовании  резервирования «2 из 2» на уровне компонент  или системы, но это может привести к снижению безопасности за счет увеличения вероятности ложной тревоги (например, ложное срабатывание тормозной системы  поезда). Отказоустойчивые мажоритарные системы (логика голосования «2 из 3») может увеличить как надежность, так и безопасность на системном  уровне. Такие методы являются общей  практикой в аэрокосмических  системах, в которых требуется  постоянная готовность и недопустимость опасных отказов.

Оценка надежности техники при  эксплуатации

После того, как система изготовлена, осуществляется мониторинг ее надежности, оцениваются  и корректируются недоработки и  недостатки. Мониторинг включает в  себя электронное и визуальное наблюдение за критическими параметрами, выявленными  на стадии проектирования при разработке дерева неисправностей. Для обеспечения  заданной надежности системы данные постоянно анализируются, используя  статистические методы, такие как  Вейбулл-анализ и линейная регрессия. Данные о надежности и оценки параметров являются ключевыми входами для модели системной логистики.

Одним из наиболее общих методов для оценивания надежности техники при эксплуатации являются системы отчетов, анализа  и коррекции действий (FRACAS). Систематический  подход к оцениванию надежности, безопасности и логистики основан на отчетах об отказах и авариях, менеджменте, анализе корректирующих/предупреждающих действий.

Организация работ по надежности

Системы любой  сложности разрабатываются организациями, такими, как коммерческие компании или государственные учреждения. Организация работ по надежности (инжиниринг надежности) должна быть согласована  со структурой компаний или учреждений. Для небольших компаний работы по надежности могут быть неформальными. С ростом сложности задач возникает  необходимость формализации функций  по обеспечению надежности. Так как  надежность важна для заказчика, заказчик должен видеть некоторые аспекты  организации этих работ.

Существует  несколько типов организации  работ по надежности. Менеджер проекта  или главный инженер проекта  может иметь в непосредственном подчинении одного или более инженеров  по надежности. В более крупных  организациях обычно образуется отдельное  структурное подразделение, которое  занимается анализом надежности, ремонтопригодности, качества, безопасности, человеческого  фактора, логистикой. Так как работа по обеспечению надежности особенно важна на этапе проектирования, часто  инженеры по надежности или соответствующие  структуры интегрированы с проектными подразделениями.

В отдельных  случаях компания создает независимую  структуру, которая занимается организацией работ по надежности.

Обучение инженеров по надежности

Некоторые высшие учебные заведения подготавливают инженеров по надежности. Другой формой подготовки специалистов в области  надежности могут быть аккредитованные  при высших учебных заведениях или  колледжах учебные программы  или курсы. Инженер по надежности может иметь профессиональный диплом именно по надежности, но для большинства  работодателей это не требуется. Проводятся многочисленные профессиональные конференции, реализуются отраслевые программы подготовки кадров по вопросам надежности. К международным организациям инженеров и ученых в области  надежности относятся IEEE Reliability Society, American Society for Quality (ASQ) и Society of Reliability Engineers (SRE).