Надёжность

Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования[1][2].

Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества на стадии эксплуатации (при его использовании, обслуживании, хранении, транспортировании). Надёжность — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.

Для количественной оценки надёжности используют так называемые единичные показатели надёжности (характеризуют только одно свойство надёжности) и комплексные показатели надёжности (характеризуют несколько свойств надёжности в определённом интервале времени).

Теория надёжности является основой инженерной практики в области надёжности технических изделий. Часто безотказность определяют как вероятность того, что изделие будет выполнять свои функции на определённом периоде времени при заданных условиях. Математически это можно записать следующим образом:

Для любой системы одной из первых инженерных задач надёжности является адекватное нормирование показателей надёжности, например, в терминах требуемой готовности. Нормирование надёжности — это установление в проектной или иной документации количественных и качественных требований к надёжности. Требования по надёжности относятся как к самой системе и её составным частям, так и к планам испытаний, к точности и достоверности исходных данных, формулированию критериев отказов, повреждений и предельных состояний, к методам контроля надёжности на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, требования по ремонтопригодности могут включать в себя показатели стоимости и времени восстановления. Оценивание эффективности процессов технического обслуживания и ремонта является частью процесса FRACAS (failure reporting, analysis and corrective action system — система отчётов об отказах, анализа и коррекции действий).

При анализе параметров системной надёжности учитывается структура системы, состав и взаимодействие входящих в неё элементов, возможность перестройки структуры и алгоритмов её функционирования при отказах отдельных элементов.

Наиболее часто в инженерной практике рассматривают последовательное, параллельное, смешанное (последовательно-параллельное и параллельно-последовательное) соединение элементов, а также схемы типа «K из N», мостиковые соединения.

По возможности восстановления и обслуживания системы подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, обслуживаемые и необслуживаемые. По режиму применения (функционирования) — на системы непрерывного, многократного (циклического) и однократного применения.

В основном, в качестве параметра надёжности используется среднее время до отказа (MTTF), которое может быть определено через интенсивность отказов или через число отказов на заданном отрезке времени. Интенсивность отказов математически определяется как условная плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не произошёл. При увеличении интенсивности отказов среднее время до отказа уменьшается, надёжность изделия падает. Обычно среднее время до отказа измеряется в часах, но также может выражаться в таких единицах, как циклы и мили.

В других случаях надёжность может выражаться через вероятность выполнения задачи. Например, надёжность полётов 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 задаётся вероятность срабатывания или, как, например, для ракет, вероятность попадания в цель. Для таких систем мерой надёжности является вероятность срабатывания. Для восстанавливаемых систем может задаваться такой параметр, как среднее время восстановления (ремонта) и время проверки (тестирования). Часто параметры надёжности задаются в виде соответствующих статистических доверительных интервалов.

Моделирование надёжности — это процесс прогнозирования или исследования надёжности компонент или системы до её ввода в эксплуатацию. Наиболее часто для моделирования надёжности систем используются методы анализа деревьев неисправностей и структурных схем надёжности. Входные параметры для моделирования надёжности систем могут быть получены из разных источников, то есть из справочников, отчётов 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:

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:

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 распределением Вейбулла или логнормальным 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.

Надёжность на этапе проектирования является новой дисциплиной и относится к процессу разработки надёжных изделий. Этот процесс включает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения, которыми должна владеть организация для обеспечения высокой надёжности 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 надёжности. Надёжность должна быть «спроектирована» в системе. При проектировании системы назначаются требования к надёжности верхнего уровня, затем они разделяются на определённые подсистемы разработчиками, конструкторами и инженерами по надёжности, работающими вместе. Проектирование надёжности начинается с разработки модели. При этом используют структурные схемы надёжности 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 надёжности изделия за счёт дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций (ГОСТ 27.002). Путём введения избыточности совместно с хорошо организованным мониторингом отказов, даже системы с низкой надёжностью по одному каналу могут в целом обладать высоким уровнем надёжности. Однако введение избыточности на высоком уровне в сложной системе (например, на уровне двигателя самолёта) 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 надёжности, специфических для отдельных отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

Инженерные исследования проводятся для определения оптимального баланса между надёжностью и другими требованиями и ограничениями. Существенную помощь при инженерном анализе надёжности могут оказать программные комплексы для расчёта надёжности.

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 надёжность 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. Расчёт надёжности производится на каждом уровне испытаний. При этом часто используются такие методы, как анализ роста надёжности и системы отчёта 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 жёстких ограничений по времени и затратам. В таких случаях могут быть использованы ускоренные испытания, методы планирования экспериментов и моделирование.

Отметим, что сегодня всё чаще и чаще применяются так называемые ускоренные испытания в динамически меняющейся среде для оценивания качества и надёжности высококачественной и высоконадёжной продукции, в том числе и структурно-сложных систем с учётом 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.

Надёжность в инженерной практике отличается от безопасности по рассматриваемым в этой дисциплине видам опасностей. Надёжность в технике главным образом связана с определением стоимостных показателей и рассматривает виды опасностей, которые могут перерасти в аварии с частичной потерей доходов для пользователя техники или её создателя (по причине неготовности техники, высоких затрат на запасные части и ремонт, простоев из-за отказов и т. п.).

Безопасность связана с опасностями, которые могут привести к гибели людей и иным катастрофическим последствиям отказов. Требования по безопасности функционально связаны с требованиями по надёжности, но характеризуются более высокой ответственностью в связи с уровнем значимости отказов для общества и мерами контроля со стороны государства (например, судостроение и водный транспорт, атомная промышленность, авиация, космос, оборона, железнодорожный транспорт и др.).

Для безопасности в связи с отказами объектов техники используют понятия отказобезопасность или отказоустойчивость. Указанные свойства обеспечивают путём использования разных форм резервирования наиболее важных функций в сочетании с мерами повышения надёжности и охвата контролем составных частей объекта техники.

После того, как система изготовлена, осуществляется мониторинг её надёжности, 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 надёжности системы данные постоянно анализируются, используя статистические методы, такие как Вейбулл-анализ и линейная регрессия. Данные о надёжности и оценки параметров являются ключевыми входами для модели системной логистики.

Одним из наиболее общих методов для оценивания надёжности техники при эксплуатации являются системы отчётов, анализа и коррекции действий (FRACAS). Систематический подход к оцениванию надёжности в определённом интервале времени, безопасности и логистики основан на отчётах об отказах и авариях, менеджменте, анализе корректирующих/предупреждающих действий.

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

Существует несколько типов организации работ по надёжности. Менеджер проекта или главный инженер проекта может иметь в непосредственном подчинении одного или более инженеров по надёжности. В более крупных организациях обычно образуется отдельное структурное подразделение, которое занимается анализом надёжности, ремонтопригодности, качества, безопасности, человеческого фактора, логистикой. Так как работа по обеспечению надёжности особенно важна на этапе проектирования, часто инженеры по надёжности или соответствующие структуры интегрированы с проектными подразделениями. В отдельных случаях компания создаёт независимую структуру, которая занимается организацией работ по надёжности. Указанные работы носят системный характер и их обычно организуют в рамках программы обеспечения надёжности.

Программа обеспечения надёжности (ПОН) является документом, который определяет организационно-технические требования и мероприятия (задачи, методы, средства анализа и испытаний), направленные на обеспечение заданных требований к надёжности, а также уточняет требования заказчика по определению и контролю надёжности. Определение надёжности (reliability assessment) заключается в определении численных значений показателей надёжности изделия. Контроль надёжности (reliability verification) состоит в проверке соответствия изделия заданным требованиям по надёжности [ГОСТ 27.002-89]. Различают расчётный, расчётно-экспериментальный и экспериментальный методы определения и контроля надёжности.

В расчётном методе определения надёжности расчёт надёжности основан на использовании показателей надёжности по справочным данным о надёжности элементов, по данным о надёжности изделий-аналогов и другой информации, имеющейся к моменту оценки надёжности. Расчётно-экспериментальный метод определения надёжности (Analytical-experimental reliability assessment) основан на процедуре определения показателей надёжности элементов экспериментальным методом, а показателей надёжности системы в целом — с использованием математической модели. Экспериментальный метод определения надёжности (Experimental reliability assessment) основан на статистической обработке данных, получаемых при испытаниях или эксплуатации системы или её составных частей и элементов.

ПОН разрабатывается на ранних стадиях проектирования и реализуется на всех этапах жизненного цикла изделия. В техническом плане основным объектом ПОН является оценивание и достижение готовности и стоимости эксплуатации (затраты на запасные части, техническое обслуживание и ремонт, транспортные услуги и т. п.). Зачастую требуется нахождение компромисса между высокой готовностью и затратами, или, например, поиск максимального отношения «готовность/стоимость». В ПОН рассматриваются порядок и условия проведения испытаний на надёжность, критерии их завершения и принятия решений по результатам испытаний.

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