Основные процедуры анализа надежности будут рассмотрены на основе [25, 27]. Обобщенная схема алгоритма анализа надежности представлена на рис. 2.1.
Определение исследуемой системы включает получение и анализ информации о системе, условиях ее эксплуатации и других факторах, определяющих ее надежность:
1) назначение, области применения и функции системы;
2) связи (функциональные, структурные, информационные и пр.) с надсистемой (системой высшего уровня);
3) связи (функциональные, структурные, информационные и пр.) с взаимодействующими системами в составе надсистемы;
4) структура системы, состав, взаимодействие и уровни нагруженности входящих в нее элементов, возможность перестройки структуры и (или) алгоритмов функционирования системы при отказах отдельных ее элементов;
5) наличие, виды и способы резервирования, используемые в системе;
6) типовая модель эксплуатации системы, устанавливающая перечень возможных режимов эксплуатации и выполняемых при этом функций, правила и частоту чередования режимов, продолжительность пребывания системы в каждом режиме и соответствующие наработки, номенклатуру и параметры нагрузок и внешних воздействий на систему в каждом режиме;
Рисунок 2.1 – Схема алгоритма анализа надежности
7) система ТО и ремонта, характеризуемая видами, периодичностью, организационными уровнями, способами выполнения, техническим оснащением и материально-техническим обеспечением работ по ее ТО и ремонту;
8) распределение функций между операторами и средствами автоматического диагностирования (контроля) и управления системой, виды и характеристики человеко-машинных интерфейсов, определяющих показатели надежности работы операторов;
9) уровень квалификации персонала;
10) качество программных средств, применяемых в системе;
11) технология и организация производства при изготовлении системы и т.д.
Определение требований (целей) надежности включает анализ требований к надежности, а также характеристик и особенностей системы, режимов ее эксплуатации, условий окружающей среды и требований ТО и пр. Определение отказа системы, критериев отказов и условий, основанных на функциональной спецификации системы, ожидаемой продолжительности и условий эксплуатации. При определении требований и целей надежности следует руководствоваться [24].
На ранней стадии разработки системы анализ надежности включает распределение требований надежности по ее элементам.
Определение требований надежности для подсистем является существенной частью проектирования системы. Цель распределения надежности – найти наиболее эффективную архитектуру системы, соответствующую требованиям надежности (технико-экономической целесообразности). Распределение требований необходимо проводить для каждого показателя надежности.
Сначала необходимо распределить требования надежности системы по подсистемам. При этом должны быть учтены сложность подсистем и опыт эксплуатации аналогичных подсистем. Если на начальном этапе проекта требования не выполнены, распределение и (или) выполнение проекта необходимо повторить. Распределение требований надежности проводят с учетом анализа сложности, критичности, особенностей и условий эксплуатации системы.
Так как распределение требований надежности обычно проводят на раннем этапе проектирования, когда информация о системе отсутствует или ее очень мало, распределение необходимо периодически пересматривать.
Распределение требований по подсистемам и составным частям необходимо проводить на этапе эскизногопроектирования. Это позволяет:
- проверить выполнение требований надежности для системы;
- установить в проекте выполнимые требования надежности для составных частей;
- установить четкие и поддающиеся проверке требования надежности.
Распределение требований надежности проводят в следующем порядке:
- анализируют систему и идентифицируют области, для которых информация о значениях характеристик надежности доступна или может быть легко оценена;
- определяют соответствующие величины и их вклад в требования надежности системы. Разность между требованиями и фактическим уровнем надежности является частью требований надежности, которая должна быть распределена между другими составными частями системы.
Преимущества распределения требований надежности заключаются в том, что оно:
- обеспечивает путь совершенствования продукции за счет понимания соотношения между целями надежности системы и ее элементами (подсистемами, блоками, компонентами);
- помогает оптимизировать надежность системы, поскольку рассматривает такие факторы как сложность, критичность, влияние условий эксплуатации.
Для распределения надежности существуют ограничения:
- часто предполагается, что элементы системы независимы, то есть отказ одного элемента не влияет на работу других элементов. Так как это предположение часто не выполняется, оно часто выступает в качестве ограничения;
- распределение для систем с резервированием является более сложным. Для них рекомендуется использовать итеративные методы проверки выполнения целей надежности системы.
Полнота выполнения выше перечисленных процедур определяет выбор соответствующего метода анализа, обеспечивающего приемлемую точность и достоверность при отсутствии или невозможности необходимой информации.
Источниками информации для идентификации объекта служит конструкторская, технологическая, эксплуатационная и ремонтная документация на объект в целом, его составные части и комплектующие изделия в составе и комплектах, соответствующих данному этапу расчета надежности.
Анализ надежности системы в зависимости от конкретного этапа жизненного цикла производится с целью прогнозирования, повышения или обеспечения их надежности. Анализ надежности может включать как качественный анализ надежности системы, так и количественный:
Качественный анализ надежности, в общем случае, включает:
- анализ структуры системы;
- определение возможных отказов системы и ее элементов, их механизмов, причин и последствий;
- определение механизма деградации, который может привести к отказу системы;
- анализ развития отказа системы;
- анализ ремонтопригодности с учетом времени восстановления, метода изоляции и метода восстановления;
- определение адекватности методов диагностики неисправностей и отказов;
- анализ возможностей предотвращения неисправностей и отказов;
- определение стратегий ТО и ремонта.
Количественный анализ в основном направлен наопределение значений показателей надежности системы. Для расчета надежности используются методы, основанные на вычислении показателей по справочным данным о надежности элементов системы, по данным о надежности объектов-аналогов, данным о свойствах материалов и другой информации, имеющейся к моменту расчета.
В общем случае количественный анализ надежности системы включает:
- разработку моделей надежности;
- определение необходимых данных для расчета надежности;
- определение числовых оценок показателей надежности;
- проведение необходимого анализа критичности и чувствительности.
Надежность системы рассчитывают на всех этапах жизненного цикла и соответствующих этим этапам видов работ, устанавливаемым в программе обеспечения надежности (ПОН) системы или в документах, ее заменяющими.
ПОН должна устанавливать цели расчета, применяемые при расчете нормативные документы и методики, сроки выполнения расчета и исполнителей, порядок оформления, представления и контроля результатов расчета.
Целями расчета надежности являются:
1) обоснование количественных требований по надежности к системе или ее составным частям;
2) проверка выполнимости установленных требований и (или) оценка вероятности достижения требуемого уровня надежности системы в установленные сроки и при выделенных ресурсах, обоснование необходимых корректировок установленных требований;
3) сравнительный анализ надежности вариантов схемно-конструктивного построения системы и обоснование выбора рационального варианта;
4) определение достигнутого (ожидаемого) уровня надежности системы и (или) ее составных частей, в том числе расчетное определение показателей надежности или параметров распределения характеристик надежности составных частей системы в качестве исходных данных для расчета надежности системы в целом;
5) обоснование и проверку эффективности предлагаемых (реализованных) мер по доработкам конструкции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и ремонта системы, направленных на повышение ее надежности;
6) решение различных оптимизационных задач, в которых показатели надежности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий, в том числе таких, как оптимизация структуры системы, распределение требований по надежности между показателями отдельных составляющих надежности (например безотказности и ремонтопригодности), расчет комплектов ЗИП, оптимизация систем ТО и ремонта, обоснование гарантийных сроков и назначенных сроков службы (ресурса) системы и др.;
7) проверка соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня надежности системы установленным требованиям (контроль надежности), если прямое экспериментальное подтверждение ее уровня надежности невозможно технически или нецелесообразно экономически.
В основах качественного и количественного анализа надежности лежит выбор метода(ов), адекватного(ых) особенностям системы, целям анализа, наличию необходимой информации о системе и исходных данных для их осуществления.
Адекватность выбранного метода и построенных моделей целям и задачам анализа надежности системы характеризуют:
- полнотой использования при анализе всей доступной информации о системе, условиях ее эксплуатации, системе ТО и ремонта, характеристиках надежности составных частей, свойствах применяемых в системе веществ и материалов;
- обоснованностью принятых при построении моделей допущений и предположений, их влиянием на точность и достоверность оценок показателей надежности;
- степенью соответствия уровня сложности и точности моделей надежности системы доступной точности исходных данных для анализа.
Степень адекватности моделей и методов расчета надежности оценивают путем:
- сопоставления результатов расчета и экспериментальной оценки показателей надежности систем-аналогов, для которых применялись аналогичные модели и методы расчета;
- исследования чувствительности моделей к возможным нарушениям принятых при их построении допущений и предположений, а также к погрешностям исходных данных для расчета;
- экспертизы и апробации применяемых моделей и методов, проводимых в установленном порядке.
Завершающая анализ надежности процедура разработки выводов и рекомендаций включает решение следующих задач:
- оценку повышения надежности системы по результатам проектирования и производства (например, резервирование, снижение нагрузок, совершенствование стратегий ТО системы, контроля продукции и технологических процессов, системы менеджмента качества и материально-технической базы производства);
- исследование системы и определение слабых мест и режимов критичности отказов компонентов;
- исследование проблем интерфейса системы, свойств и механизмов отказоустойчивости и т.д.;
- разработка альтернативных путей повышения надежности, например использование резервирования, контроля эффективности, обнаружения неисправностей, методов реконфигурации системы, процедур технического обслуживания, заменяемых компонентов, процедур восстановления;
- выполнение исследований по оценке стоимости и сложности альтернативных проектов;
- оценка влияния возможностей производственного процесса;
- оценка результатов и сравнение их с требованиями.
