Обеспечение надежности систем

Проблема повышения надежности решается только на этапах проектирования и производства. На этих этапах жизненного цикла уровень надежности системы закладывается. При эксплуатации надежность системы повысить нельзя, ее уровень лишь уменьшается. Однако, существуют меры, поддерживающие требуемый уровень надежности и на этом этапе: техническое обслуживание (ТО) и ремонт. Классификация систем по возможностям поддержания их уровня надежности на этапе эксплуатации представлена в табл. 1.2.

Таблица 1.2 – Классификация систем по возможностям поддержания их уровня надежности

Признак классификации	Вид системы
По необходимости обслуживания	Обслуживаемая, необслуживаемая
По возможности восстановления работоспособного состояния	Восстанавливаемая, невосстанавливаемая
По возможности выполнения ремонта	Ремонтируемая, неремонтируемая

Обслуживаемая система – система, для которой проведение ТО предусмотрено в НТД.

Восстанавливаемая система – система, работоспособность которой в случае отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации, а проведение восстановления предусмотрено в НТД.

Невосстанавливаемая система – система, работоспособность которой в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации и проведение восстановления не предусмотрено в НТД.

При постановке и решении задач надежности, особенно при выборе показателей надежности системы, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа. Иногда одна и та же система может быть, в зависимости от этапов эксплуатации, восстанавливаемой или невосстанавливаемой. Однако чаще всего свойство восстанавливаемости рассматривается однозначно применительно ко всему периоду эксплуатации.

Ремонтируемая система – система, исправность и работоспособность которой в случае возникновения отказа или повреждения подлежит восстановлению, а проведение ремонта предусмотрено в НТД.

Неремонтируемая система – система, исправность и работоспособность которой в случае возникновения отказа или повреждения не подлежит восстановлению и проведение ремонта не предусмотрено в НТД.

Термины «невосстанавливаемая система» и «восстанавливаемая система» не заменяют собой понятия «ремонтируемая система» и «неремонтируемая система», т.к. последние характеризируют свойства системы (их приспособленность к ремонту и к техническому обслуживанию), а первые относятся к условиям восстановления работоспособности систем конкретной ситуации в процессе эксплуатации. В ряде случаев эти понятия совпадают. Например, неремонтируемая система обычно является и невосстанавливаемой, а ремонтируемая система может рассматриваться как невосстанавливаемой или как восстанавливаемой, в зависимости от условий эксплуатации.

Таким образом, под обеспечением надежности системы следует понимать совокупность организационно-технических и научно-методических мероприятий, направленных на достижение и поддержание заданного уровня надежности на всех этапах жизненного цикла.

Под жизненным циклом системы понимается непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания системы и заканчивается в момент ее полного изъятия из эксплуатации.

В случаях, когда уровень надежности системы недостаточен, то повысить его можно путем введения избыточности – за счет резервирования.

Резервирование – способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функции.

Резервирование осуществляется при помощи резерва.

Резерв – совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования.

Основными понятиями при резервировании являются понятия основного, резервируемого и резервного элементов.

Классификация видов резервирования приведена в табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Классификация видов резервирования

Признак классификации	Вид резервирования
По виду резерва	Структурное, временное, функциональное, нагрузочное, информационное
По способу переключения элементов	Постоянное, динамическое
По виду соединения резервных элементов	Общее, раздельное, скользящее, смешанное
По нагруженности резервных элементов до их включения	Нагруженный, облегченный, ненагруженный
По наличию восстановления элементов	С восстановлением, без восстановления

Структурное резервирование – резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры системы.

Наиболее часто применяемый вид резервирования, может быть постоянным и динамическим.

Постоянное резервирование – резервирование, при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервной группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами, т.е. резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элементов (рис. 1.2а).

Динамическое резервирование – резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элементов. Наиболее распространенный способ динамического резервирования – резервирование замещением,при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента (рис. 1.2б).

а)

б)

Рисунок 1.2 – Структурная схема постоянного резервирования (а) и динамического резервирования замещением (б)

Структурное резервирование подразделяют на:

- общее – резервирование, при котором резервируется объект в целом (рис. 1.3);

- раздельное – резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы (рис. 1.4);

- скользящее – резервирование замещением, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рис. 1.5);

- смешанное – сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте.

Одним из вариантов смешанного резервирования необходимо отметить резервирование мажоритарное (принцип голосования « из » элементов) (рис. 1.6). Этот способ основан на применении дополнительного элемента – его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 1.6 изображено резервирование по принципу голосования «два из трех», т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход объекта. Главное достоинство этого вида резервирования – обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на надежность объекта в целом.

Рисунок 1.3 – Структурная схема при общем постоянном резервировании

Рисунок 1.4 – Структурная схема при раздельном постоянном резервировании

Рисунок 1.5 – Структурная схема при скользящем резервировании

Рисунок 1.6 – Структурная схема при мажоритарном резервировании

При структурном резервировании необходимо учитывать кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных элементов системы. Резервирование, кратность которого равна единице называется дублирование.

Одним из видов резервирования является нагрузочное резервирование, которое предусматривает применение нагрузочных резервов, которые отличаются друг от друга по нагруженности резервных элементов. При этом различают:

- нагруженный резерв – резервный элемент, находящийся в том же режиме что и основной элемент;

- облегченный резерв – резерв, который содержит один пли несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент;

- ненагруженный резерв – резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента.

По возможности восстановления различают:

- резервирование с восстановлением – резервирование, при котором восстановление отказавших основных и (или) резервных элементов технически возможно без нарушения работоспособности объекта в целом и предусмотрено эксплуатационной документацией;

- резервирование без восстановления – резервирование, при котором восстановление отказавших основных и (или) резервных элементов технически невозможно без нарушения работоспособности объекта в целом и (или) не предусмотрено эксплуатационной документацией.

Кроме структурного и нагрузочного резервирования широко применяются информационное, временное и функциональное резервирование.

Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации, временное резервирование – избыточного времени, а функциональное резервирование – способности элементов выполнять дополнительные функции.

Комплексное свойство надежность и объединяемые им более простые свойства количественно характеризуют показателями – величинами, значения которых определяют уровень данного свойства.

Значения показателей надежности системы в зависимости от условий обеспечения надежности могут изменяться на различных этапах ее жизненного цикла – в процессах проектирования, производства и эксплуатации.