Надежность, эргономика и качество АСОИУ

Лекция 1. Основные понятия теории надежности 1. Дисциплина «Надежность, эргономика и качество АСОИУ» Дисциплина «Надежность, эргономика и качество АСОИУ» является интегрированным специальным курсом, объединяющим ряд областей современной науки и техники с целью применения их теории, математического аппарата, методов и инженерных решений при проектировании больших человеко-машинных систем, к которым и относятся автоматизированные системы обработки информации и управления. В соответствии с Государственным образовательным стандартом в рамках данной дисциплины изучаются теория надежности, эргономика, инженерная психология и теория управления качеством. Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов и способы борьбы с этими отказами. Надежностью называется свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя в течение определенного времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Традиционно надежность связывают, прежде всего, с техникой. Надежность можно трактовать как безотказность системы или объекта, способность выполнять определенную задачу или как вероятность выполнения определенной функции (функций) в течение определенного времени и в определенных условиях. Основными способами анализа и расчета показателей надежности сложных технических устройств и систем являются моделирование и испытания. Анализ надежности и расчет соответствующих показателей является необходимым этапом разработки любой сложной технической системы, в том числе и АСОИУ. Точность и достоверность получаемых результатов в значительной мере зависит от применяемых методик расчета надежности и от квалификации специалистов, осуществляющих расчеты. Особенностью АСОИУ, как одной из разновидностей систем «человек-машина» (СЧМ), является то, что человек-оператор включен в контур (или процесс) управления. Однако в отличие от технических звеньев включение его в состав АСОИУ приводит не к понижению надежности системы, а к повышению соответствующих показателей. Это объясняется тем, что человек наделен интеллектуальными возможностями, позволяющими оценивать поступающую информацию и принимать правильные решения в условиях появления отказов. Поэтому при расчетах надежности АСОИУ необходимо учитывать надежность человека-оператора, изучаемую в инженерной психологии. Человек-оператор, включенный в контур управления как звено по обработке информации, обладает определенными функциональными возможностями, которые в значительной мере влияют на своевременность выработки сигналов управления и качество принимаемых решений. Поэтому для учета способностей человека-оператора выполнять возложенные на него функции введены специальные инженерно-психологические характеристики. Эргономика занимается комплексным изучением и проектированием трудовой деятельности с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, а также профессионального мастерства. Эргономические характеристики используются для количественного описания возможностей технических средств АСОИУ, с которыми непосредственно взаимодействует человек-оператор (в первую очередь устройств отображения информации). Для организации оптимального взаимодействия человека-оператора с вычислительной средой АСОИУ требуется четкое согласование его функциональных возможностей по приему информации с функциональными возможностями аппаратно-программных средств представления входной информации. В инженерном плане это согласование рассматривается как согласование эргономических характеристик устройств отображения информации с обобщенными инженерно-психологическими характеристиками среднестатистического оператора. В рамках данной дисциплины также изучается теория управления качеством. Качество является непременным свойством объекта любой природы. В международных рекомендациях дается следующее определение: качество – совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные или предполагаемые потребности. Управление качеством – действия, осуществляемые при создании и эксплуатации или потреблении продукции, в целях установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня ее качества. 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ 1) Зачем нужно изучать теорию надежности? Надежность является одним из самых важных показателей современной техники. От нее зависят такие показатели как качество, эффективность, безопасность, риск, готовность, живучесть. Техника может быть эффективной только при условии, если она имеет высокую надежность. Надежность техники определяется при ее проектировании и производстве. Чтобы создать техническую систему, удовлетворяющую требованиям надежности, необходимо уметь рассчитать ее надежность в процессе проектирования, знать методы обеспечения высокой надежности и способы их технической реализации. Необходимо также доказать экспериментально, что показатели надежности спроектированной системы не ниже заданных. Помимо этого нужно также разработать методы, обеспечивающие высокую безотказность техники в процессе ее эксплуатации. Все это невозможно реализовать, если не владеть основами теории надежности. Ее должен знать инженер-проектировщик, инженер-технолог, инженер-эксплуатационщик. Необходимость знания теории надежности широкому кругу специалистов – одна из особенностей теории надежности как науки и научной дисциплины. 2) Теория надежности. Что изучает теория надежности? Теория надёжности устанавливает закономерности возникновения отказов и восстановления работоспособности системы и её элементов, рассматривает влияние внешних и внутренних воздействий на процессы в системах, создаёт основы расчёта надёжности и предсказания отказов, изыскивает способы повышения надёжности при конструировании и изготовлении систем и элементов, а также способы сохранения надёжности при эксплуатации. Теория надежности изучает: • критерии и количественные характеристики надежности; • методы анализа надежности элементов и систем; • методы синтеза элементов и систем с заданной надежностью; • методы повышения надежности элементов и систем на этапах их проектирования и эксплуатации; Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в государственных стандартах (ГОСТ). Главным нормативным документом, устанавливающим номенклатуру терминов и их определения, в области надежности техники является ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения». 3) Основные понятия теории надежности. Базовыми понятиями в теории надежности являются понятия элемент, система. В соответствии с ГОСТ Р 51901.5-2005 «Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности»: Элемент – любая часть, компонент, устройство, подсистема, функциональный модуль, оборудование или система, которая может быть рассмотрена как самостоятельная единица. Под элементом понимают часть системы, которая имеет самостоятельную характеристику надежности, используемую при расчетах надежности, и выполняет определенную частную функции в интересах системы. Система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. С точки зрения надежности система должна иметь: 1) определенную цель, выраженную в виде требований к функционированию системы; 2) заданные условия эксплуатации; 3) иерархическую структуру. В теории надежности под элементом понимают элемент, узел, блок, имеющий показатель надежности, самостоятельно учитываемый при расчете показателей надежности системы. Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от решаемой задачи. Например, станок при оценке его надежности рассматривается как система, состоящая из элементов – деталей, механизмов, узлов и т. п. При оценке надежности технологической линии станок является элементом системы. С точки зрения теории надежности любой технической объект (система, устройство, элемент) можно охарактеризовать его свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению после потери работоспособности (рис. 1). При этом важнейшим комплексным свойством ТС является его надежность. Техническое состояние ТС в данный момент времени характеризуется исправностью или неисправностью, работоспособностью или неработоспособностью, а также предельным состоянием. Исправным состоянием (исправностью) ТС называется такое ее состояние, при котором она соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). Если ТС не соответствует хотя бы одному из этих требований, то она находится в неисправном состоянии. Работоспособное состояние – состояние ТС, при котором она способна выполнить заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией (НТД). Неработоспособным состоянием ТС называется состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует установленным требованием НТД. Понятие исправности шире понятия работоспособности. Неисправная ТС может быть работоспособной и неработоспособной – все зависит от того, какому требованию НТД не удовлетворяет данная ТС. Рис. 1. Основные характеристики ТС Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным, например, если он не удовлетворяет эстетическим требованиям, причем ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению. Для сложных объектов возможны частично неработоспособные состояния, при которых объект способен выполнять требуемые функции с пониженными показателями или способен выполнять лишь часть требуемых функций. Для некоторых объектов признаками неработоспособного состояния, кроме того, могут быть отклонения показателей качества изготавливаемой ими продукции. При длительной эксплуатации ТС может достигнуть предельного состояния, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, при уходе заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения среднего или капитального ремонта. Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Переход из одного состояния в другое происходит в результате событий, называемых отказом и повреждением. В соответствии с ГОСТ 27.002–89 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения»: Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния системы. По приспособленности к восстановлению все системы, рассматриваемые в теории надежности, могут быть разделены на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемой ТС называется такая ТС, работоспособность которой в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Если же в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данной ТС при ее отказе по каким либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым, то система называется невосстанавливаемой. Ремонтируемой ТС называется система, неисправность или работоспособность которой в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае, объект называется неремонтируемым (простейшим примером неремонтируемого объекта служат электролампочки). Неремонтируемое устройство всегда является и невосстанавливаемым (например, резистор, конденсатор, и т.п.). В то же время, ремонтируемое устройство может быть как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым – все зависит от существующей системы технического обслуживания и ремонта, конкретной ситуации в момент отказа. 4) Надежность – комплексное свойство Надежностью называется свойство ТС выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение устанавливаемых эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Безотказность – свойство системы или элемента непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Однако для АСУ, информационных сетей и вычислительной техники перечисленных свойств для характеристики надёжности недостаточно. В практике создания и использования таких систем находят применение дополнительные свойства, без учёта которых нельзя в полной мере представить комплексное понятие “надёжность”: Безопасность – свойство объекта при изготовлении и эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Живучесть – свойство объекта, состоящее в его способности противостоять развитию критических отказов из-за дефектов и повреждений при установленной системе технического обслуживания и ремонта, или свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации. Таким образом, можно видеть, что понятие надежности является фундаментальным понятием, которое охватывает все стороны технической эксплуатации элементов и систем. В первую очередь, надежность является составной частью более широкого понятия – эффективности. При этом под эффективностью понимается свойство, определяющее возможность системы или элемента выполнять заданные функции с требуемым качеством. На эффективность функционирования системы, наряду с надежностью, влияют и другие характеристики, например, такие как точность, помехоустойчивость и т. д. 5) Повреждения и отказы. Классификация. Другими важными понятиями в теории надежности и практике эксплуатации ТС являются повреждения и отказы. Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния системы. Повреждение может быть существенным и явиться причиной отказа и несущественным, при котором работоспособность ТС сохраняется. По типу отказы подразделяются на: a) отказы функционирования, при которых прекращается выполнение объектом основных функций (например, поломка зубьев шестерни); b) отказы параметрические, при которых параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности измерения напряжения вольтметром). По своей природе отказы могут быть: a) случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т. п.; b) систематические, обусловленные закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия материалов и т. п. Применительно к отказу и повреждению рассматривают критерий, причину, признаки проявления, характер и последствия. Работоспособное состояние ТС определяются множеством заданных параметров и допусками на них – допустимыми пределами их изменения. Критерием отказа являются признаки выхода хотя бы одного заданного параметра за установленный допуск. Критерии отказа должны указываться в НТД на объект. Причинами отказа могут быть просчеты, допущенные при конструировании, дефекты производства, нарушения правил и норм эксплуатации, повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения. Признаки отказа или повреждения проявляют непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя (оператора) явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта, или процессов с ними связанных. Характер отказа или повреждения определяют конкретные изменения, происшедшие в объекте. К последствиям отказа или повреждения относятся явления и события, возникшие после отказа или повреждения и в непосредственной причинной связи с ним. Отказы объектов ТС могут быть разных видов и классифицируются по различным признакам (табл. 1.). Таблица 1. Классификация отказов ТС. Признаки отказа Вид отказа Характеристика отказа 1 2 3 Характер изменения параметра до момента возникновения отказа Внезапный Скачкообразное изменение значений одного или нескольких параметров ТС Постепенный Постепенное изменение одного или нескольких параметров за счет медленного, постепенного ухудшения качества ТС. (Например, износ поршневых колец в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания – постепенный отказ) Связь с отказами других элементов (узлов, устройств) Независимый (первичный) Отказ не обусловлен повреждениями или отклонениями других элементов (узлов) Зависимый (вторичный) Отказ обусловлен повреждениями или отказами других элементов (узлов, устройств). (Например, из-за пробоя конденсатора может сгореть другой элемент устройства) Возможность использования элемента Полный Полная потеря работоспособности, исключающая использование ТС по назначению Частичный Дальнейшее использование системы возможно, но с меньшей эффективностью Характер проявления отказа Сбой Самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности Перемежающийся Многократно возникающий сбой одного и того же характера (то возникающий, то исчезающий), связанный с обратными случайными изменениями режимов работы и параметров устройства. (Например, снижение чувствительности прибора может произойти из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания) Устойчивый (окончательный) Отказ, устраняемый только в результате проведения восстановительных работ, является следствием необратимых процессов в деталях и материалах. (Например, выход из строя устройства из-за обрыва нити накала электронной лампы) Причина возникновения отказа Конструкционный Возникает вследствие нарушения установленных правил и норм конструирования Производственный Возникает из-за нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта ТС Эксплуатационный Возникает вследствие нарушения установленных правил и условий эксплуатации ТС Время возникновения отказа Период приработки Обусловлен скрытыми производственными дефектами, не выявленными в процессе контроля Период нормальной эксплуатации Обусловлен несовершенством конструкции, скрытыми производственными дефектами и эксплуатационными нагрузками Период старения Обусловлен процессами старения и износа материалов и элементов ТС Возможности обнаружения отказа Очевидные (явные) Скрытые (неявные) 6) Временные понятия Наработка – продолжительность или объем работы объекта, измеряемые единицами времени, числом циклов нагружения, километрами пробега и т. п. Наработка до отказа – наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Наработка между отказами – наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа. Время восстановления – продолжительность восстановления работоспособного состояния объекта. Технический ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации (в том числе хранение, ремонт и т. п.) от начала эксплуатации объекта (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. 3. Этапы анализа и показатели надежности АСОИУ 1) Этапы анализа надежности ТС Существуют два основных этапа анализа надежности ТС. Первый этап называется априорным анализом надежности и обычно проводится на стадии проектирования. Этот анализ – априори предполагает известными количественные характеристики надежности всех используемых элементов системы. Для элементов (особенно новых), у которых еще нет достаточных количественных характеристик надежности, их задают по аналогии с характеристиками применяющихся аналогичных элементов. Таким образом, априорный анализ базируется на априорных (вероятностных) характеристиках надежности, которые лишь приблизительно отражают действительные процессы в аппаратуре ТС. Тем не менее, этот анализ позволяет на стадии проектирования выявить слабые с точки зрения надежности места в конструкции, принять необходимые меры к их устранению, а так же отвернуть неудовлетворительные варианты построения ТС. Поэтому априорный анализ (или расчет) надежности имеет существенное значение в практике проектирования ТС и составляет неотъемлемую часть технических проектов. Второй этап называется апостериорным анализом надежности. Его проводят на основании статистической обработки экспериментальных данных о работоспособности и восстанавливаемости ТС, полученных в процессе их отработки, испытаний и эксплуатации. Целью таких испытаний является получение оценок показателей надежности ТС и ее элементов. 2) Показатели надежности. Единичные и комплексные. Определение количественных характеристик или показателей надёжности необходимо для того, чтобы: • учитывать надежность элементов и устройств при их применении в различных системах; • формулировать требования по надежности к проектируемым устройствам или системам; • сравнивать различные варианты построения системы; • рассчитывать необходимый комплект запасных частей и принадлежностей для восстановления систем, сроки их службы. Показатель надежности (Reliability measure) – это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Единичный показатель надежности (Simple reliability measure) – это показатель надежности, характеризующий одно из свойств, составляющих надежность объекта. Комплексный показатель надежности (Integrated reliability measure) – это показатель надежности, характеризующий несколько свойств, составляющих надежность объекта. Поскольку отказы и сбои элементов являются случайными событиями, то теория вероятностей и математическая статистика являются основным аппаратом, используемым при исследовании надежности, а сами характеристики надежности должны выбираться из числа показателей, принятых в теории вероятностей. Все показатели надёжности могут определяться аналитически по формулам, полученным на основе теории вероятности, и по результатам испытаний или наблюдений, т. е. в виде статистических оценок показателей надёжности, полученным на основе методов математической статистики. Основные понятия, термины и определения, а также рекомендации по вычислению показателей надежности приводятся в ГОСТ 27.002-89. Перечень стандартных показателей надежности приведен в таблице 2. Таблица 2 Номенклатура показателей надежности Свойство надежности Наименование показателя Безотказность Вероятность безотказной работы P(t) Вероятность отказа Q(t) Частота отказов f(t) Интенсивность отказов (t) Средняя наработка до отказа Tср Средняя наработка на отказ Tо Параметр потока отказов (t) Долговечность Средний ресурс Tр Гамма-процентный ресурс Tр. Назначенный ресурс Tр.н. Средний срок службы Tсл Гамма-процентный срок службы Tсл. Назначенный срок службы Tсл.н. Ремонтопригодность Вероятность восстановления Pв(t) Среднее время восстановления Tв Гамма-процент. время восстановления Tв. Интенсивность восстановления µ(t) Сохраняемость Средний срок сохраняемости Гамма-процентный срок сохраняемости Комплексные показатели Коэффициент готовности Кг Коэффициент оперативной готовности Ко.г. Коэффициент технического использования Кт.и. Коэффициент сохранения эффективности Кэф. 3) Базовые понятия из теории вероятности и мат. статистики. Надежность объектов нарушается возникающими отказами. Отказы рассматривают как случайные события. Для количественной оценки надежности используются методы теории вероятности и математической статистики. Случайной называют величину, которая в результате испытания примет случайно одно и только одно значение из множества возможных значений. Дискретной (прерывной) называют случайную величину, которая принимает отдельные возможные значения с определенными вероятностями. Непрерывной называют случайную величину, которая может принимать все значения из некоторого конечного или бесконечного промежутка. Законом (рядом) распределения случайной величины называется соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями (его можно задать таблично, аналитически (в виде формулы) и графически. 3.1) Функция распределения Функция распределения является универсальным способом задания как непрерывных, таки дискретных случайных величин. Она полностью характеризует случайную величину и является одной из форм закона распределения. Функция распределения F(x) представляет собой вероятность того, что случайная величина X примет значение меньшее, чем x, т.е. , где P – вероятность, а x – некоторая текущая переменная (любое действительное число). Функцию распределения F(x) называют также интегральной функцией распределения или интегральным законом распределения. Основные свойства функции распределения: 1. . 2. F(x) – монотонно неубывающая функция: . 3.  4.  5. Вероятность попадания случайной величины на участок (): Функция распределения для дискретной случайной величины: 3.2) Плотность распределения Производная функции распределения называется плотностью распределения непрерывной случайной величины Х. Функция – производная функции распределения – характеризует плотность, с которой распределяются значения случайной величины в данной точке. Эта функция называется плотностью распределения (иначе «плотностью вероятности») непрерывной случайной величины X. Основные свойства плотности распределения 1. 2. Площадь, заключенная между кривой распределения и осью абсцисс, равна единице, т.е. 3. Вероятность попадания величины X в промежуток от a до b: 4. Выразим функцию распределения через плотность распределения 4. Показатели надежности невосстанавливаемых систем 1. Вероятность безотказной работы Вероятность безотказной работы является основной количественной характеристикой безотказности элемента или системы в заданном интервале времени. Определение ГОСТ 27.002-89 Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки (в заданном интервале времени t) отказа не возникнет. Если обозначить: T – время непрерывной исправной работы элемента от начала его работы до первого отказа, t – время, за которое необходимо определить вероятность безотказной работы, то этот параметр можно представить в виде Таким образом, вероятность безотказной работы показывает с какой вероятностью можно утверждать, что на интервале времени t отказ не возникнет. Функция вероятности безотказной работы наиболее полно определяет надежность объекта. Она обладает следующими свойствами: Полагая, что в момент включения устройство работоспособно, т.е. P(0)=1, функция P(t) монотонно убывает от 1 до 0 (рис. 1.). При этом совершенно очевидно, что P(∞)=0, т.е. любая система со временем (при t→∞) откажет. Вероятность безотказной работы P(t) связана с функцией распределения F(t) и плотностью распределения f(t) наработки до отказа: Рис. 1 Вероятность безотказной работы и вероятность отказа Статистическая оценка вероятности безотказной работы: где – исходное число работоспособных объектов, – число отказавших объектов за время (интервал от 0 до ) 2. Вероятность отказа – вероятность того, что объект откажет хотя бы один раз в течение заданной наработки, будучи работоспособным в начальный момент времени. Вероятность того, что отказ элемента произойдет за время, не превышающее заданную величину t, т.е. что T