Надежность технических систем

Расчеты надежности проводятся на различных этапах разработки, создания и эксплуатации объектов.
На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемой системы. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта, а также для решения организационно-технических вопросов:
- выбора оптимального варианта структуры;
- способа резервирования;
- глубины и методов контроля;
- количества запасных элементов;
- периодичности профилактики.

На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места объекта, даются оценки его надежности и влияния на нее отдельных факторов.

Многочисленные цели расчетов привели к большому их разнообразию. На рис. 4.5. изображены основные виды расчетов.

Элементный расчет - определение показателей надежности объекта, обусловленных надежностью его комплектующих частей (элементов). В результате такого расчета оценивается техническое состояние объекта (вероятность того, что объект будет находиться в работоспособном состоянии, средняя наработка на отказ и т.п.).

Рис. 4.5. Классификация расчетов надежности

Расчет функциональной надежности - определение показателей надежности выполнения заданных функций (например, вероятность того, что система очистки газа будет работать заданное время, в заданных режимах эксплуатации с сохранением всех необходимых параметров по показателям очистки). Поскольку такие показатели зависят от ряда действующих факторов, то, как правило, расчет функциональной надежности более сложен, чем элементный расчет.

Выбирая на рис 4.5. варианты перемещений по пути, указанному стрелками, каждый раз получаем новый вид (случай) расчета.

Самый простой расчет - расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5. слева: элементный расчет аппаратурной надежности простых изделий, нерезервированных, без учета восстановлений работоспособности при условии, что время работы до отказа подчинено экспоненциальному распределению.

Самый сложный расчет - расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5. справа: функциональной надежности сложных резервированных систем с учетом восстановления их работоспособности и различных законов распределения времени работы и времени восстановления.
Выбор того или иного вида расчета надежности определяется заданием на расчет надежности. На основании задания и последующего изучения работы устройства (по его техническому описанию) составляется алгоритм расчета надежности, т.е. последовательность этапов расчета и расчетные формулы.

Последовательность расчета систем

Последовательность расчета системы представлена на рис. 4.6.

Рассмотрим основные ее этапы.

Рис. 4.6. Алгоритм расчета надежности

Система с последовательным соединением элементов.

Самым простым случаем в расчетном смысле является последовательное соединение элементов системы. В такой системе отказ любого элемента равносилен отказу системы в целом. По аналогии с цепочкой последовательно соединенных проводников, обрыв каждого из которых равносилен размыканию всей цепи, мы и называем такое соединение "последовательным" (рис. 4.7). Следует пояснить, что "последовательным" такое соединение элементов является только в смысле надежности, физически они могут быть соединены как угодно.

Рис. 4.7. Блок-схема системы с последовательным соединением элементов

С позиции надежности, такое соединение означает, что отказ устройства, состоящего из этих элементов, происходит при отказе элемента 1 или элемента 2, или элемента 3, или элемента n. Условие работоспособности можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1 и элемент 2, и элемент 3, и элемент n.
Система с параллельным соединением элементов

На рис. 4.8 представлено параллельное соединение элементов 1, 2, 3. Это означает, что устройство, состоящее из этих элементов, переходит в состояние отказа после отказа всех элементов при условии, что все элементы системы находятся под нагрузкой, а отказы элементов статистически независимы.

Рис. 4.8. Блок-схема системы с параллельным соединением элементов

Условие работоспособности устройства можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1 или элемент 2, или элемент 3, или элементы 1 и 2, 1; и 3, 2; и 3, 1; и 2; и 3.

Применительно к проблемам надежности, по правилу умножения вероятностей независимых (в совокупности) событий, надежность устройства из n элементов вычисляется по формуле
Р= 1- .

4.3. Прогнозирование надежности на стадии проектирования

Дальнейшее развитие техники базируется на прогнозировании ее развития, позволяющем сформулировать цели, направления, перспективы работ, рационально определить параметры будущих изделий, планировать работу по их достижению. В настоящее время известно более сотни методов прогнозирования, которые можно объединить в две основные группы: нормативные и исследовательские.

Нормативное прогнозирование, по сути, является планированием. Согласно этим методам составляются подробные списки, таблицы, сетевые графики, в которых отражаются мероприятия, необходимые для осуществления проекта.

Методы последовательного прогнозирования разделяются на 3 вида: экспертное прогнозирование (методы экспертных оценок), прогнозирование аналогии и экстраполяция тенденций развития.

Экспертное прогнозирование основано на суммировании мнений компетентных в данной области специалистов (экспертов). Эксперт прогнозирует исходя из своих интуитивных представлений о путях развития. Примером может служить метод Дельфи.В основу метода положеныследующие принципы:

1. Анонимность;

2. Многоцикличность - (многократная корректировка ответов);

3. Статистическая обработка данных группового опроса.

К недостаткам метода относится то, что крайние высказывания отбрасываются.

Прогнозирование по аналогии основано на сходстве в развитии самых разных систем: живых, технических, научных. Успешность этого метода зависит от правильности выбора аналога.

Экстраполяция тенденций развития. Метод основан на предположении, что тенденции развития, отчетливо проявляющиеся в предпрогнозный, период сохранятся и в будущем.

Прогнозирование на базе ТРИЗ состоит из 4-х этапом

Этап 1 включает следующие мероприятия:

· Ознакомление с базовой технической системой (БТС);

· Построение моделей, описывающих БТС с помощью аналогий;

· Решение сформулированных задач с использованием ТРИЗ;

· Проведение простых морфологических преобразований БТС;

· Анализ развития БТС по законам развития технических систем;

· Подведение итогов предварительного прогноза.

Этап 2 включает следующие мероприятия:

· Определение конечной цели работы и составление рабочего плана;

· Прогнозирование с помощью традиционных методов;

· Анализ БТС с помощью функционально-стоимостного анализа;

· Рассмотрение надсистем БТС и определение тенденций их развития;

· Рассмотрение развития аналогичных БТС в других областях;

Этап 3 включает следующие мероприятия:

· Определение стадии развития БТС;

· Рассмотрение возможности очередного шага;

· Определение возможных ошибок?

Этап 4 включает следующие мероприятия:

· Анализ всех задач и построение иерархии;

· Объединение всех идей и решений;

· Внесение нерешенных задач в отдельный список;

· Сведение блоков предсказаний в единую схему;

· Составление перспективного плана развития БТС на базе полученного сценария.