Тема № 1 «Основы теории надёжности»
Л Е К Ц И Я
по дисциплине «Надежность вычислительных систем»
по специальности 230401.65 «Прикладная математика»
Тема № 1 «Основы теории надёжности»
Занятие №1.1 «Основные понятия и определения»
Учебные вопросы
1. Понятия надежность, восстанавливаемость.
2. Понятия безотказность, работоспособность, отказ и другие.
3. Основные стандарты и нормативные документы по надежности
Введение. Основные термины и определения теории надежности.
Важность задач, решаемых вычислительными средствами в АСУ, обусловливает повышенные требования к их надежности в период их эксплуатации. Несколько десятилетий назад проблема надежности технических систем, в том числе и вычислительных средств не волновала инженеров как проблема первостепенной важности. Основное внимание уделялось обеспечению необходимых технических параметров, а не их сохранению и поддержанию в течение длительного времени эксплуатации. Подобный подход к проектированию технических систем оставался приемлемым лишь до тех пор, пока системы были несложными сами по себе и выполняли достаточно простые функции.
Современные системы характеризуются чрезвычайной сложностью. Можно привести десятки современных систем, для которых приемлемое решение проблемы надежности в самом прямом смысле слова означает быть или не быть данной системе. О повышении надежности сейчас говорят не только инженеры и ученые, но и государственные деятели. Надежность сказывается на стоимости, на временных затратах, психологических - в виде неудобств, а в определенных случаях грозит невыполнением поставленных задач. В настоящее время перед теорией надежности возникают взаимно противоречивые задачи. С одной стороны усложнение системы и её функций приводит к уменьшению её надежности. Но в то же время для выполнения заданных функций необходимы повышенные требования по надежности. Разрешение этого противоречия требует тщательного исследования проблем повышения надежности элементов и устройств ВС. Но повышение надежности не дается даром и требует как материальных затрат, так и систематических научных поисков.
Названное противоречие в условном виде представлено на рисунке 1.1.
| сложность задач |
| важность задач |
| надежности |
| противоречие |
| объема оборудования |
| надежности |
Рисунок 1.1
1. Понятия надежность, восстанавливаемость.
Как и любая другая наука, теория надежности содержит соответствующие понятия, термины и определения, которые включают: объект исследования, показатели надёжности, методы её оценки и повышения. Исходя из этого первоначально, рассмотрим основные понятия и термины теории надежности.
Объект – предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации [ 2 ]. В данном случае объектами являются ВС в целом и их составные части (элементы), а также программное обеспечение к ним.
Под системойпонимается объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально [ 2 ].
Элементом системы является объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.
Надежность - одно из основных свойств, определяющих качество функционирования ВС. Это свойство проявляется в процессе использования ВС по назначению и зачастую рассматривается, как свойство изделия сохранять качество (значения основных эксплуатационных характеристик и характеристик назначения) во времени, в течение заданной продолжительности. В ГОСТ 27.002-89 надежность определяется, как «свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования».
При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значения имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности) называют восстановлением. В соответствии с этим различают восстанавливаемые или невосстанавливаемые объекты.
Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния в предусмотренном в НТД, в противном случае это – невосстанавливаемый объект. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта, при его отказе по каким либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Следовательно, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.
Надежность является комплексным свойством и включает в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. В зависимости от назначения объекта и условий применения его надежность может включать только часть составных свойств надежности. Так, например, если изделие не подлежит ремонту (процессор, модуль оперативной памяти и др.), то для таких изделий важно только свойство безотказности, а для подлежащих длительному хранению – еще и свойство сохраняемости.
2.Понятия безотказность, работоспособность, отказ и другие.
Безотказность-свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Наработка - это продолжительность или объем работы объекта. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах), так и целочисленной (число рабочих циклов, количество решенных задач и т.п.). Различают наработку до отказа, между отказами, до предельного состояния.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Объект ВС может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если, например, его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по требованиям безопасности, экономичности и эффективности.
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Данный, термин может быть расшифрован более подробно: приспособленность к восстановлению работоспособного состояния, а это в свою очередь приспособленность к техническому обслуживанию, к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, а также причин, их вызывающих.
Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Сохраняемость объекта ВС характеризуется его способностью противостоять отрицательному влиянию условий и продолжительности его хранения и транспортирования. В реальных условиях происходит ухудшение параметров, характеризующих работоспособность объекта, снижение остаточного ресурса. В одних случаях достаточно потребовать, чтобы после хранения и (или) транспортирования объект оставался в работоспособном состоянии. В большинстве других случаев требуется, чтобы объект сохранял достаточный запас работоспособности, т. е. обладал достаточной безотказностью после хранения и (или) транспортирования.
С позиций надежности различают следующие состояния объекта ВС (см. рисунок 1.2):
- исправное - при котором объект ВС соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
- неисправное - в случае несоответствия хотя бы одному из требований. Признаком неисправного состояния является наличие или появление технологического дефекта или повреждения при эксплуатации;
- работоспособное—при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
- неработоспособное — при котором значение хотя бы одно параметра не соответствует требованиям. Неисправный объект может быть работоспособным, например, повреждение окраски объекта означает его неисправное состояние, но такой объект работоспособен. Неработоспособный объект является одновременно и неисправным;
- предельное—при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. После наступления предельного состояния изделие списывается.
| Исходное состояние |
| Исправное |
| Работоспособное |
| Событие |
| Повреждение |
| Отказ |
| Исчерпание ресурса |
| Новое состояние |
| Неисправное |
| Неработоспособное |
| Предельное |
| Недопустимость или нецелесообразность дальнейшего использования |
| Неспособность выполнять функции с заданными параметрами |
| Несоответствие хотя бы одному из требований документации |
Рисунок 1.2
Повреждением является событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного. Если объект из работоспособного состояния переходит в неработоспособное, то такое событие называется отказом. Как правило, отказ вызывается физическим разрушением элемента ВС или постепенным ухудшением его характеристик.
Если работоспособность ВС характеризуют совокупностью значений некоторых технических параметров, то признаком возникновения отказа является выход значений любого из этих параметров за пределы допусков.
Кратковременный самоустраняющийся отказ, или однократный отказ, устраняемый вмешательством оператора (номера расчета), называется сбоем. Отличительным признаком сбоя является то, что восстановление работоспособного состояния объекта может быть обеспечено без ремонта, путем воздействия оператора на органы управления (перезапуск, перезагрузка). Считается, что сбои вызываются внутренними или внешними помехами электромагнитного характера. В зависимости от того, предусмотрены или не предусмотрены нормативно-технической и (или) конструкторской документацией для данного изделия операции технического обслуживания, изделия подразделяются на обслуживаемые и необслуживаемые, а в зависимости от того, предусмотрены или нет операции ремонта — на ремонтируемые и неремонтируемые. Классификация основных понятий и определений с учетом типов объектов ВС и их состояния представлена в таблице 1.1.
Таблица 1.1