Сравнение различных методов повышения надёжности системы
Все методы повышения надёжности принципиально могут быть сведены к следующим методам: резервированию, уменьшению интенсивности отказов элементов системы, сокращению времени непрерывной работы системы, уменьшению времени восстановления, выбору рациональной периодичности и объёма диагностики систем. В процессе проектирования и конструирования используют схемные и конструктивные способы повышения надёжности. Основные схемные методы таковы: создание схем с минимальным количеством элементов, резервирование; создание схем, не допускающих опасных последствий отказов их элементов; предварительный расчёт надёжности проектируемой системы. Конструктивные методы включают в себя: применение элементов с малым значением интенсивности отказов, обеспечение благоприятного режима работы элементов, рациональный выбор допусков на изменение значений входных и выходных величин элементов и систем, защита элементов от вибрации и ударов, унификация элементов.
3.4.1 Краткое описание основных методов повышения надёжности
Один из критериев надёжности формулируется следующим образом: система считается надёжной, если отказ одного любого элемента не приводит к отказу всей системы. В практике реализация этого критерия осуществляется путём раздельного резервирования. Оценим эффективность различных способов резервирования, приняв в качестве критериев надёжности вероятность безотказной работы и среднюю наработку до отказа, при следующих упрощающих предположениях:
- все элементы являются равно надёжными;
- поток отказов элементов системы является пуассоновским;
- кратность резервирования всех элементов одинакова.
Отметим, что интенсивность отказов резервированной системы всегда в начальный момент времени равна нулю независимо от значения интенсивности отказов не резервированной системы. По мере увеличения времени эксплуатации интенсивность отказов резервированной системы асимптотически стремится к интенсивности отказов не резервированной системы.
Уменьшить интенсивность отказов системы можно следующими способами: упрощение системы, выбор наиболее надёжных элементов; облегчение электрических, механических, тепловых и других режимов работы элементов системы; тренировка элементов и систем, создание схем с ограниченным последействием отказов элементов, стандартизация и унификация элементов системы, совершенствование технологии производства, автоматизация производства, статистический контроль качества продукции; проведение профилактических мероприятий при эксплуатации аппаратуры, которые направлены на предупреждение отказов.
Уменьшить среднее время восстановления можно, повышая надёжность системы, и, тем самым, уменьшая число отказов; или сокращая время необходимое для отыскания и устранения отказов. Сократить время, которое необходимо для отыскания и устранения неисправностей, можно, применяя диагностику, автоматизацию проверок, повышение квалификации обслуживающего персонала, сбор и обобщение опыта эксплуатации.
Повысить надёжность системы возможно при сокращении времени непрерывной работы системы, если есть возможность выключить систему на определённое время, не нарушая процесса управления. Это часто возможно при управлении летательными аппаратами или при управлении системами, которые осуществляют коррекцию других, более сложных систем.
Наиболее эффективны вышеуказанные методы при конструировании систем, так как надёжность систем в основном закладывается при их проектировании и изготовлении. Во время эксплуатации заложенный ресурс надёжности «расходуется». Скорость «расхода» этого ресурса зависит от методов и условий эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала. Задача инженера-эксплуатационника состоит не в повышении надёжности системы, а в том, чтобы как можно дольше сохранить надёжность, заложенную в процессе её проектирования и изготовления.
Уменьшение интенсивности отказов позволяет уменьшить суммарное число отказов системы в процессе её эксплуатации, а уменьшение среднего времени восстановления – улучшить восстанавливаемость системы. Изменение в одно и то же число раз интенсивности отказов и среднего времени восстановления даёт, в смысле надёжности, разный эффект, что необходимо учитывать при проектировании надёжных автоматических систем.
Проводить сравнение эффективности метода «уменьшения суммарного времени работы системы» с другими методами повышения надёжности не целесообразно, потому что уменьшение времени работы не является методом повышения надёжности - это лишь экономия «ресурса» надёжности.
В заключение необходимо отметить, что часто не удаётся сконструировать высоконадёжную систему, применяя один метод повышения надёжности, необходимо использовать все или большинство рассмотренных методов. Для иллюстрации этого положения и лучшего понимания проблемы повышения надёжности рассмотрим примеры.
3.4.2 Примеры, иллюстрирующие сложность проблемы повышения надёжности
Пример 1. Автоматическая система регулирования состоит из 1000 элементов, средняя интенсивность отказов которых равна 
1/час. Полагая, что справедлив экспоненциальный закон вероятности безотказной работы, определить, какой метод повышения надёжности следует выбрать, чтобы вероятность безотказной работы системы в течение 1000 часов была не ниже 0,98.
Решение. Здесь N = 1000, 
1/час, t = 1000 часов, Рс(1000) = 0,98. Тогда вероятность безотказной работы системы, если не принять никаких мер по её повышению, будет равна
Система, имеющая столь низкую вероятность безотказной работы, не может выполнять свои функции в течение указанного времени. Рассмотрим возможные способы повышения надёжности системы.
Уменьшение интенсивности отказов системы. Определим, какова должна быть интенсивность отказов элементов, чтобы выполнялось условие Рс(1000) 
Так как Рс(t) 
, то с достаточной для практики точностью можно записать
откуда 
а среднее время безотказной работы элементов должно быть 
часов.
Таким образом, средняя интенсивность отказов элементов должна быть на два порядка меньше, чем в условиях задачи, а их среднее время безотказной работы должно составлять десятки миллионов часов. Элементов системы автоматического регулирования, имеющих столь высокую надёжность, пока не существует. Уменьшить интенсивность отказов системы на два порядка, если сложность системы остаётся неизменной, вряд ли технически возможно.
Известными методами сравнительно легко можно уменьшить интенсивность отказов на один порядок. Тогда вероятность безотказной работы системы будет равна
Но это значение ниже Рс(1000)
Какая же должна быть сложность, чтобы этот метод позволил конструировать систему на заданное значение вероятности безотказной работы? Число элементов в системе можно определить из выражения
Такое упрощение системы невозможно осуществить.
Сокращение времени непрерывной работы. Суммарное время непрерывной работы для удовлетворения условия 
должно быть
Если уменьшить интенсивность отказов системы на один порядок, то суммарное время непрерывной работы возрастёт также на порядок, т.е. 
.
Резервирование. Определим кратность резервирования, при которой удаётся обеспечить заданную вероятность безотказной работы.
При общем резервировании с постоянно включенным резервом
Здесь 
вероятность безотказной работы резервированной системы.
При общем резервировании замещением и ненагруженном состоянии резерва
Отсюда m = 7 (кратность резервирования 
для i = 0 ÷ 7 = 19,8).
При раздельном резервировании с постоянно включённым резервом
где 
- вероятность безотказной работы i – го элемента.
Тогда 
Таким образом, резервирование всех элементов с кратностью m = 1 и постоянно включённым резервом позволяет обеспечить столь высокую вероятность безотказной работы системы.
Здесь можно применить так же раздельное резервирование с замещением и ненагруженным резервом – предполагается, что все элементы однотипны и имеют одну причину отказа – для чего понадобиться резервировать с кратностью m = 1. При резервировании со скользящим резервом и указанных выше условиях понадобиться лишь семь резервных элементов. Оба эти метода надёжности можно применить лишь при высокой надёжности переключающих устройств.
Кроме того, может оказаться, что раздельное резервирование всех элементов осуществить невозможно, а система чувствительна к изменению параметров элементов. В этом случае следует искать комбинированные методы повышения надёжности. В данной задаче целесообразно уменьшить интенсивность отказов системы и применить резервирование всей системы при ненагруженном состоянии резерва.
Если уменьшить интенсивность отказов системы на один порядок, то в этом случае
Кратность резервирования m = 1, т.е. простое дублирование всей системы позволяет обеспечить требуемую надёжность. Так как технически осуществить резервирование всей системы проще, чем отдельных элементов, то такое решение может быть приемлемым.
Пример 2. Условия предыдущей задачи остаются прежними. Требуется установить, какой метод повышения надёжности выбрать, чтобы вероятность безотказной работы системы была не ниже 0,98 в течение 10000 часов её непрерывной работы.
Решение. Вероятность безотказной работы не резервированной системы в течение 10000 часов будет равна 
При раздельном резервировании с постоянно включённым резервом
При раздельном резервировании замещением
Тогда 
При резервировании со скользящим резервом
отсюда m0 = 41.
Более перспективным является раздельное резервирование с постоянно включённым резервом, однако такое решение не является наилучшим. Все же целесообразно комбинировать резервирование с уменьшением интенсивности отказов на порядок.
Отметим, что сложная система обычно состоит из большого числа разнообразных элементов, интенсивность отказов которых значительно выше, чем принята в примере. Кроме того, для управления ответственными объектами требования по надёжности устанавливаются более жёсткие.
Пример 3. Автоматическая система состоит из 1000 элементов, средняя интенсивность отказов которых равна 0,03 
10-3 1/час. Необходимо установить, какой метод повышения надёжности следует выбрать, чтобы вероятность безотказной работы системы в течение 10000 часов была не ниже 0,98. Полагаем, что справедлив экспоненциальный закон надёжности.
Решение. При раздельном резервировании с постоянно включённым резервом
При раздельном резервировании замещением
;
т.е. m = 2.
При резервировании со скользящим резервом
а число резервных элементов 
Итак, если система предназначена для длительного использования, то даже раздельное резервирование не позволяет спроектировать высоконадёжную систему. Рассмотренные примеры позволяют сделать ряд выводов:
1. Требования к надёжности современных автоматических систем столь высоки, что, используя современные элементы автоматики и электроники, удовлетворить им невозможно, если не предпринять специальных мер для повышения надёжности.
2. Наиболее эффективным методом повышения надёжности систем, предназначенных для кратковременной работы, является структурное резервирование; а уменьшение интенсивности отказов системы – самый эффективный метод повышения надёжности систем длительного пользования.
3. При проектировании высоконадёжных систем необходимо применять комбинации известных методов повышения надёжности.
4. Повышение надёжности системы всегда осуществляется за счёт ухудшения других её характеристик. Надёжность имеет свою «цену» по массе, габаритам, стоимости, погрешности и т.п.
В заключение отметим, что создать надёжные технические системы возможно. Чем меньше срок службы и число элементов и чем выше их надёжность, тем проще создать такую систему. Высоконадёжные системы с коротким временем непрерывной работы можно создать, применяя обычные виды структурного резервирования. Для систем с длительным временем существования абсолютно надёжные системы можно создать только путём резервирования с коротким временем восстановления отказавших элементов при условии, что на период ремонта или замены элементов система не прекращает выполнять свои функции.
Контрольные вопросы:
1.Запишите формулу для расчёта вероятности выполнения функции КТС, ПО и оператором АСУ.
2.Какие показатели характеризуют качество структурной схемы системы?
3.Какие два подхода по распределению требований к надёжности элементов схемы Вам известны?
4.Каким должно быть соотношение между значениями вероятностей безотказной работы автоматической системы управления и объектом управления?
Список литературы
1. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надёжности [Текст]: учебник для вузов.- М: Высшая школа, 1977.-160 с.
2 Надёжность программного обеспечения [Текст]: учебное пособие /Б.Н. Балясников, Ю.Г. Гусева, А.В. Никандров, Р.И. Полонников. – Под ред. Р.И. Полонникова. – М.: Ин-т повышения квалификации Минрадиопрома СССР, 1991. – 63 с.
3 Нечипоренко В.И. Структурный анализ и методы построения надёжных систем [Текст]. - М.: Советское радио, 1968. – 256 с.
4 Половко А.М. Основы теории надёжности [Текст]: учебник для вузов.–М.: Наука, 1964.–446 с.
5 Острейковский В.А. Теория надёжности [Текст]: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.
6 Сборник задач по теории надёжности [Текст]: практикум/ А.М. Половко, И.М. Маликов, А.Н. Жигарев, В.Н. Зарудный. – Под ред. А.М. Половко и И.М. Маликова. – М.: Советское радио, 1972. – 407 с.
7 Система стандартов «Надёжность в технике» [Текст]. – М.: Госстандарт России: ИПК «Изд-во стандартов», 2002. – 95 с.
8 Шавыкин Н.А., Петрухин К.М.. Жидомирова Е.Е. Методика оценки безотказности технических средств [Текст]. Препринт.- М.: Институт проблем управления, 1997. – 80 с.