Основные термины и определения

Как уже отмечалось ранее, информационная система — это сложная система, объединяющая в своем составе функциональные элементы (устройства) различные по физической Природе, составу, алгоритмам работы и техническому (аппаратному) воплощению. Например, устройства передачи информации информацион­ной системы (ИС) учета, контроля дислокации, анализа использо­вания и регулирования вагонного парка (ДИСПАРК) охватывают территорию, занимаемую всей сетью железных дорог России, и состоят из огромного числа коммутационных центров (узлов) и отдельных систем связи; в то время как устройство считывания номера вагона (устройство ввода и сбора первичной информации), входящее в состав этой ИС, вполне локально и имеет конкретное техническое выполнение. С точки зрения технической эксплуатации вся информацион­ная система подразделяется на части, называемые объектами (систе­мами) и подобъектами (элементами) технической эксплуатации — ОТЭ и ПОТЭ соответственно.

Под элементом понимается часть сложного объекта, которая имеет самостоятельную характеристику надежности и выполняю­щую определенную частную функцию в интересах объекта, кото­рый по отношению к элементу представляет собой систему. В за­висимости от уровня решаемой задачи и степени объединения ана­лизируемых аппаратов и устройств одно и то же образование мо­жет в одном случае быть системой (объектом технической эксплуатации), а в другом — элементом (подобъектом технической эксп­луатации).

Так, при анализе надежности материнской платы ее можно «разложить» на множество элементов: гнезда центрального про­цессора CPU, слоты для модулей памяти, наборы микросхем Chipset, микросхемы базовой системы ввода-вывода BIOS и Кэш - ­памяти и т.д. С другой стороны, при анализе компьютера мате­ринскую плату удобнее представить как элемент, у которого есть свои характеристики надежности, нормативно-техническая доку­ментация, требования к эксплуатации. Объекты технической эксплуатации можно объединять в ан­самбли (АОТЭ), которые определяются на основе следующих прин­ципов:

—АОТЭ содержит группу объектов технической эксплуата­ции, объединенных для вспомогательных целей технической эксп­луатации;

—принципы, применяемые для объектов технической эксплуатации, применимы также для АОТЭ;

—в АОТЭ могут определяться отказы и неисправности, кото­рые не могут быть обнаружены в рамках объектов технической эксплуатации;

АОТЭ может обеспечивать передачу аварийной сигнализа­ции технической эксплуатации из конца в конец, которая не может быть обеспечена объектами технической эксплуатации. Объекты технической эксплуатации можно объединять в ан­самбли (АОТЭ), которые определяются на основе следующих прин­ципов:

—АОТЭ содержит группу объектов технической эксплуата­ции, объединенных для вспомогательных целей технической эксп­луатации;

—принципы, применяемые для объектов технической эксплуатации, применимы также для АОТЭ;

—в АОТЭ могут определяться отказы и неисправности, кото­рые не могут быть обнаружены в рамках объектов технической эксплуатации;

АОТЭ может обеспечивать передачу аварийной сигнализа­ции технической эксплуатации из конца в конец, которая не может быть обеспечена объектами технической эксплуатации. Примером АОТЭ может быть волоконно-оптическая система передачи информации или сетевой узел (NN) с HMS в рассмотрен­ной ранее системе EWSP (см. п. 1.3).

Объект технической эксплуатации реализован, как правило, в виде функционального устройства, что дает возможность отделять ОТЭ друг от друга. Устройства сопряжения (соединения) ОТЭ друг с другом называются техническими стыками (рис. 2.1) или стыка­ми передачи. Контроль за состоянием ОТЭ, диагностика, передача сигна­лов об аварии, индикация состояния осуществляется через стыки технической эксплуатации.

Объекты технической эксплуатации определяются на основе следующих принципов:

—различные ОТЭ соединяются между собой с помощью сты­ков, в которых реализуются условия, позволяющие объединять данные типы оборудования, которые имеют средства для обнару­жения неисправностей и отказов;

—если оборудование обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, то оба направления рассматриваются как части одного объекта технической эксплуатации;

—когда в пределах функционального устройства (т.е. ОТЭ) происходит отказ, информация об аварийной ситуации появляет­ся на отказавшем объекте технической эксплуатации;

—- индикация аварийной сигнализации технической эксплуа­тации на объекте не должна вызывать появления зависимой инди­кации аварийной сигнализации на других объектах; в случае, если появление такой индикации допускается, должно быть ясно указа­но, что отказ произошел на предшествующем объекте;

-— рабочая характеристика, контролируемая встроенным уст­ройством обнаружения отказов, сообщается по стыку техничес­кой эксплуатации либо автоматически после возникновения отка­за, либо по запросу об информации технической эксплуатации. Примерами ОТЭ могут быть линия передачи информации, контролируемая через стык LT (окончание линии), коммутацион­ный блок (SU), кольцевой блок (RU), устройство подключения (ГЦ) системы EWSP (см. рис. 1.12). Визуальная диагностика плат, входящих в блоки MU/SU, осу­ществляется с помощью светодиодных индикаторов, расположен­ных на торцевой стороне плат (рис. 2.2).

Значения индикации плат приведены в табл. 2.1.

Блок MU/SU готов к работе, если:

—ни на одной плате не горят красные индикаторы;

—горят индикаторы RUN в MPC/SPC;

—горят три индикатора состояния на TRB (FCT);

—состояние индикаторов RNG1 на TRB других блоков такое же, как и у данного блока.

Таким образом, коммутационный или процессорный блок отвечает всем требованиям ОТЭ.

Подобъект технической эксплуатации (ПОТЭ) определяется на основе следующих принципов:

—различные ПОТЭ, образующие объекты технической эксплуатации, соединяются друг с другом в последовательных и легко распознаваемых точках стыка;

—если в пределах ПОТЭ произошел отказ, то индикация аварийной сигнализации технической эксплуатации появляется на отказавшем объекте технической эксплуатации, содержащем ПОТЭ;

—ПОТЭ должен отмечаться в качестве отказавшего в процес­се локализации неработоспособности, однако в процессе контро­ля это должно приводить к идентификации только отказавшего объекта технической эксплуатации;

—ПОТЭ обычно соответствует элементу, который может быть заменен во время профилактических или ремонтно-восстановительных работ.

Примером ПОТЭ может быть одна из плат на рис. 2.2

Все технические системы делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемой называется система, которая в случае от­каза может быть восстановлена.

Информационная система по определению восстанавливаемая система, то же относится к ансамблю объектов технической эксп­луатации (АОТЭ) и, в некоторой степени, к ОТЭ.

Невосстанавливаемая система в случае отказа не подлежит восстановлению. Технический пример невосстанавливаемой сис­темы — подобъект (ПОТЭ).

Наряду с ОТЭ и ПОТЭ существуют вспомогательные объекты технической эксплуатации (ВОТЭ), которые служат для обнару­жения отказов, передачи служебных сигналов, аварийной сигна­лизации и т.п. Надежность — свойство объекта сохранять во времени в ус­тановленных пределах значения всех параметров, характеризую­щих способность выполнять требуемые функции в заданных ре­жимах и условиях применения, технического обслуживания, ре­монта, хранения и транспортирования.

Комплексный показатель надежности определяется через коэффициент готовности (К_Г), определяемый как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произволь­ный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматри­вается. Коэффициент готовности имеет еще один дополнительный смысл: это средняя доля времени, в течение которого объект нахо­дится в состоянии работоспособности.

Однозначно с коэффициентом готовности связан коэффициент простоя (К_п), определяемый как вероятность того, что система ока­жется в неработоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов. Очевидно, что К_п = 1 — К_г.

Часто используется понятие коэффициента оперативной готов­ности (К_ОГ), который определяется как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоя-нии в произвольный момент времени (кроме планируемых периодов, в течение которых при­менение объекта по назначению не предусматривается) и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени:

К_ОГ = К_Г p(t_p) , (2.1)

где p(t_p) — вероятность безотказной работы объекта в течение времени t_p, необходимого для безотказного исп Надежность реализуется в таких понятиях, как: безотказность, дол­говечность, технологичность обслуживания и сохраняемость (рис. 2.3).

ользования по назначению. Бе­зотказность характеризуется следующими показателями:

наработка на отказ — среднее время между отказами систе­мы (элемента), Т_О, час,

интенсивность отказов — среднее количество отказов в едини­цу времени, λ_О, 1/час.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособ­ное состояние до насту-пления предельного состояния при установ­ленной системе технического обслужи-вания и ремонта. При этом под предельным состоянием понимают состояние объек-та, при ко­тором его дальнейшее применение по назначению невозможно или нецеле-сообразно (из-за экономических соображений или из-за морального старения).

В оценку долговечности входят следующие показатели:

средний ресурс — математическое ожидание наработки объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние;

γ — процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выражен­ной в процентах;

срок службы — математическое ожидание календарной про­должительности от начала эксплуатации объекта или ее возобнов­ления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Для измерения долговечности объекта удобно пользоваться календарным временем (сроком службы). Технологичность обслуживания характеризуется совокупностью свойств, включающей в себя подготовкопригодность, профилактопригодность и ремонтопригодность.

Подготовкопригодность определяется приспособленностью системы (объекта) к про-ведению операций по заправке и снаряже­нию и контроля состояния системы перед использованием.

Профилактопригодностъ — приспособленность системы к про­ведению профилактических работ.

Под ремонтопригодностью (системы передачи) (ГОСТ27.002-89) понимается приспособ-ленность к предупреждению и обнаружению характера неисправности системы и устране-нию их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Ремон­то-пригодность характеризуется средним временем восстановления — средним временем, затрачиваемым на обнаружение, поиск причи­ны отказа и устранение последствий отказа, Т_В,час.

Сохраняемость—свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хра­нения и (или) транспортирования. Указанные важнейшие свой­ства надежности характеризуют определенные технические со­стояния объекта. Различают пять основных видов технического состояния объекта [3].

•Исправное состояние—состояние объекта, при котором он соответствует всем требова-ниям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

•Неисправное состояни —состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

•Работоспособное состояние—состояние объекта, при кото­ром значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции, соответствуют всем требо­ваниям нормативно-технической и (или) конструкторской (проект­ной) документации.

•Неработоспособное состояние —состояние объекта, при ко­тором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

• Предельное состояние — состояние состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Переход объекта (изделия) из одного вышестоящего техничес­кого состояния в нижестоящее состояние обычно происходит вслед­ствие событий: повреждений или отказов (рис. 2.4). Совокупность фактических состояний объекта и возникающих событий, способ­ствующих переходу в новое состояние, охватывает так называемый жизненный цикл объекта, который протекает во времени и имеет определенные закономерности, изучаемые в теории надежности.

Отказом является прекращение способности объекта вы­полнять требуемую функцию.

По характеру устранения различают окончательные (устойчи­вые) и перемежающиеся отказы.

Окончательные отказы являются следствием необратимых про­цессов в элементах и материалах. При окончательных отказах для восстановления работоспособности объекта необходимо произво­дить его ремонт (регулировку). Перемежающиеся отказы являются следствием обратимых слу­чайных изменений режимов работы и параметров объектов. Для возвращения объекта в работоспособное состояние не требуется вмешательства человека.

Для классификации отказов используются определения ано­малии и дефекта.

Аномалия — это расхождение между текущим значением и требуемым значением параметра объекта.

Требуемое значение параметра может быть выражено в форме спецификации. Аномалия может влиять или не влиять на способ­ность объекта выполнять требуемую функцию. Например, для ап­паратуры группообразования один тип первичной информации, которая может появиться, это ошибка в цикловом синхросигнале. Эта первичная сигнализация является аномалией.

Дефектом считается ограниченный перерыв способности объекта выполнять требуемую функцию. Он может требовать или не требовать действий по технической эксплуатации в зави­симости от оценки результатов дополнительного анализа. Пос­ледовательные аномалии, вызывающие уменьшение способно­сти объекта выполнять требуемую функцию, рассматриваются в качестве дефекта.

Отказы систем (объектов) принято подразделять на две основ­ные категории: внезапные и постепенные.

Внезапные отказы приводят к скачкообразному изменению и выходу за пределы допустимых значений, по крайней мере, одно­го из определяющих работу системы параметров. Внезапные от­казы происходят главным образом в системах, работающих в ус­ловиях, характеризующихся резкими изменениями внешних на­грузок, а также в системах, элементы которых имеют различную стойкость по отношению к воздействию различных факторов. Вне­запные отказы могут также вызываться причинами конструктив­ного характера, наличием в системе дефектных элементов, ошиб­ками обслуживающего персонала.

Постепенные отказы систем обусловлены постепенными из­менениями параметров тех или иных элементов, входящих в их Они могут быть вызваны или слишком большими откло­нениями параметров тех или иных элементов, или ошибками в определении допусков на эти параметры. Повреждение — событие, заключающееся в нарушении ис­правного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Переход события из исправного состояния в неисправное не связан с отказом.

Контроль является процессом, при котором аномалии и де­фекты, обнаруженные в объектах или ансамблях технической экс­плуатации, анализируются и проверяются. Этот анализ может быть внутренним или внешним относительно объекта. В случае внеш­него анализа, он может выполняться либо местными, либо цент­рализованными средствами. Процесс контроля включает три непрерывно и совместно про­водимых процесса для выявления:

-аномалий (кратковременный период);

-дефектов (среднесрочный период);

ухудшенного качества (долговременный период). Каждый процесс сопровождают определенные данные, то есть собранные данные об аномалиях и собранные данные о де­фектах. Процессы контроля за аномалиями и дефектами соот­ветственно указывают на возникновение состояний аномалии или дефекта. Процесс контроля за ухудшением качества оцени­вает уровень качества объекта технической эксплуатации и ре­шает, является ли качество нормальным, ухудшенным или не­приемлемым. Вспомогательные работы технической эксплуатации.

Вспомогательные работы включают перечисленные ниже функции:

•управление информацией об оборудовании ВОСП, находя­щемся в эксплуатации;

•управление рабочими данными (в основном данными по маршрутизации);

•выдача инструкций по коррекции для аппаратуры и программного обеспечения;

•ремонт заменяемых блоков;

•управление эксплуатационными запасами;

•ведение документации о сети и оборудовании. Количество хранимых запасных частей определяется:

-организацией объектов технической эксплуатации;

-интенсивностью отказов оборудования;

-временем выполнения работы (действительное время ремон­та, время транспортирования);

-количеством элементов оборудования в эксплуатации;

вероятностью отсутствия запасных частей. Статистика отказов

Если данные обо всех отказах записаны, эта информация пос­ле её обработки может использоваться при осуществлении следу­ющих функций:

а) управления, например, для оценки рабочих параметров си­стемы;

б) организации технической эксплуатации, например, использование испытательного оборудования, результатов испы­таний по жалобам пользователей, запасных частей;

в) в режиме технической эксплуатации, например, с целью идентификации «слабых» компонентов, для которых необходимо профилактическое техническое обслуживание. Информация для персонала индицируется либо на самом объекте ОТЭ, когда обработка дефектов или подтверждение состояний неработоспособности производятся внутри объекта или через внешней ВОТЭ, производящий обработку и являющийся внешним по от­ношению к ОТЭ.Категории аварийной сигнализации

Следующие категории аварийной сигнализации технической эксплуатации связаны с сообщениями об отказах или непри­емлемом или ухудшенном качественном показателе:

«Норма» — параметры качества и элементы ОТЭ находятся в пределах установленных допусков;

«Предупреждение» (информационный сигнал технической эксплуатации) — параметры качества находятся в пределах уста­новленных допусков, а параметры элементов ОТЭ, режим и усло­вия работы свидетельствуют о повышенной возможности отказа ОТЭ (приемлемое качество);

«Повреждение» (несрочный аварийный сигнал технической эксплуатации) — параметры качества вышли за пределы ус­тановленных допусков в результате нарушения режима ОТЭ или наличия неисправности в нём при сохранении им состояния ра­ботоспособности (ухудшенное качество);

«Авария» (срочный аварийный сигнал технической экс­плуатации) — параметры качества вышли за пределы установлен­ных допусков в результате нарушения режима ОТЭ или наличия неисправности в нём, вследствие чего наблюдается отказ объекта ОТЭ (не­приемлемое качество).

На рис. 2.5 и 2.7 показан процесс обработки аварийной инфор­мации об объекте технической эксплуатации, начиная с процесса контроля для обнаружения неправильного функционирования.

Сигналы технической эксплуатации — «Предупреждение», «Повреждение», «Авария» — могут выдаваться или не выдаваться в объекте технической эксплуатации. Когда сигнал выдаётся за пределами объекта технической эксплуатации, процесс обработки аварийной информации может объединять сообщения от других источников (например, от других объектов технической эксплуа­тации, о времени суток, об интенсивности нагрузки и т.д.) с выход­ными данными от процесса контроля за плохим функционирова­нием, чтобы решить, должны ли выдаваться срочные, несрочные или информационные сигналы технической эксплуатации. 2.2. Показатели надёжности восстанавливаемых систем

Информационные системы предназначаются для функцио­нирования в течение длительных периодов времени, поэтому в процессе эксплуатации допускают проведение различного рода косстановительных мероприятий (ремонтов, регламентных про­филактических работ и т.п.). Однако на определенных периодах жсплуатации при анализе надежности они могут рассматриваться как невосстанавливаемые, например, если в процессе выполнения какой-либо задачи принципиально невозможно восстановление отказавших элементов.

Поскольку поведение любого технического объекта во времени описывается случайным процессом переходов из состояния рабо­тоспособности в состояние отказа и обратно, показатели надежности носят вероятностно-временной характер [4].

Показателями надежности невосстанавливаемых систем являются:

вероятность безотказной работы — p(t);

частота и интенсивность отказов — λ;

среднее время безотказной работы — Т.

Эти же показатели можно использовать и для восстанавливае­мых систем, когда речь идет о работе этих систем до первого отказа.

Вероятность безотказной работы за промежуток времени t — это вероятность того, что при определенных условиях эксплуата­ции в пределах заданного промежутка времени работы отказа не возникнет. Другими словами, это вероятность того, что время бе­зотказной работы Т объекта больше некоторого промежутка вре­мени t. Этот показатель можно определить на основании статисти­ческой обработки результатов большого числа испытаний несколь­ких объектов данного типа следующим образом:

где N_О — число объектов, подвергавшихся испытанию в течение времени t;

N(t) — число объектов, исправно работавших за время испытания;

n(t) — число объектов, отказавших за время t. На практике, из-за большой стоимости испытаний систем, рассчитывается вероятность безот­казной работы отдельных элементов системы и на их основе опре­деляется вероятность безотказной работы системы в целом. Этот показатель иногда называют функцией надёжности.

Вероятность безотказной работы объекта (системы) (функция надежности) за промежуток времени t связана с вероятностью от­каза системы за этот же промежуток врем. q(t):

p(t) + q(t) = 1. Следовательно, вероятность того, что за время t объект отка­жет, можно определить по формуле

Эту функцию q(t) часто называют функцией ненадежности. Эта функция является функцией распределения случайной величины t. В теории надежности функция f(t) называется частотой от­казов.

Подставив выражение (2.4) в формулу (2.5), получим:

т.е. частота отказов объектов статистически определяется от­ношением количества объектов, отказавших в единицу времени, к первоначальному количеству испытываемых объектов. Важным показателем надежности невосстанавливаемых сис­тем является интенсивность отказов λ(t) — условная плотность вероятности возникновения отказа в момент времени t при усло-иии, что до этого момента отказ не возник. Интенсивность отка­зов, представляющая собой отношение частоты отказов к ве­роятности безотказной работы невосстанавливаемого объекта при его испытании (работе), для одного и того же момента времени

Статистически интенсивность отказов определяется как отно­шение количества систем, отказавших в течение рассматриваемого промежутка времени испытания, к произведению количества сис­тем, работоспособных к началу этого промежутка времени, на его продолжительность:

где ∆t — рассматриваемый промежуток времени;

∆n(t) — количество объектов, отказавших за промежуток времени ∆t;

N(t) — число объектов, которые оставались исправными к рассматри­ваемому промежутку времени;

n(t) — количество объектов, отказавших с начала испытания до рас­сматриваемого промежутка времени. Если при статистической оценке время эксперимента (доста­точно длительный срок) разбить на большое количество одинаковых интервало ∆t, то результатом обработки опытных данных будет кривая λ_Э(t), изображенная на рис. 2.10.

Как показывают многочисленные данные анализа надежности большинства объектов техники, в том числе и электроустановок, линеаризованная обобщенная зависимость λ (t) (рис. 2.10) имеет три ярко выраженных участка.

Первый участок зависимости λ(t) от 0 до t₁ называется ин­тервалом приработки элементов. Относительно высокое значение интенсивности отказов в период приработки объясняется наличием внутренних дефектов элементов, ошибок производства, неопытно­стью обслуживающего персонала и т.д. Этот период можно сокра­тить или избежать его вообще, если производить тщательную от­браковку элементов на заводе-изготовителе, осуществлять прира­ботку блоков во время их испытаний и подготавливать квалифи­цированный обслуживающий персонал.

Второй участок зависимости λ(t) от t₁ до t₂ называется интер­валом нормальной эксплуатации. Ему соответствует почти постоян­ное значение интенсивности отказов (λ(t)≈const). Длительность этого участка иногда называют условной долговечностью системы, ко­торая может составлять более 10 лет. Отказы на этом участке вы­зываются внешними причинами. Для поддержания λ(t)≈const не­обходимо учитывать интенсивности отказов отдельных элементов. Внешними факторами можно управлять на этапе проектирования, изменяя запас прочности элементов технического объекта в зави­симости от закона распределения внешних нагрузок. Третий участок зависимости λ(t)(t>t₂) называется интервалом старения. На этом интервале по причинам, обусловленным есте­ственными процессами старения, изнашивания, коррозии и т.д., ин­тенсивность отказов резко возрастает, увеличивается число деградационных отказов. Для того чтобы обеспечить λ(t)≈const, необходи­мо заменить неремонтируемые элементы на исправные новые или работоспособные, отработавшие время t<<t₂. Поэтому для увели­чения интервала нормальной эксплуатации периодически произво­дят профилактические и капитальные ремонты объектов.

Интенсивность отказов системы однозначно определяет вероятность ее безотказной работы. Покажем это. Из выражений (2.7) и (2.8) имеем:

. Решая это уравнение при р(0)=1, получим формулу для вы­числения функции надежности:

Для интервала нормальной эксплуатации, когда λ(t)=λ=const, вероятность безотказной работы будет равна:

. (2.9)

В реальности закон надёжности несколько отличается от экс­поненциального. Это обусловлено тем, что в период нормальной эксплуатации объектов происходит постепенное накапливание признаков изнашивания и старения элементов, которое приводит к постепенному повышению интенсивности отказов. Поэтому при проектировании технических объектов, в том числе ав­томатизированных систем, необходимо планировать профилакти­ческие мероприятия, которые должны обеспечивать постоянный уро Среднее время безотказной работы — это ожидаемое время исправной работы объекта

до его первого отказа. Оно представля­ет собой математическое ожидание времени безотказной работы:

вень интенсивности отказов.

Выполнив интегрирование по частям, получим:

т.е. среднее время безотказной работы определяется как площадь под кривой на графике зависимости вероятности безотказной ра­боты от времени p(t).

Статистически среднее время безотказной работы каждого объекта определяется как отношение суммы времен исправной работы каждого объекта (до первого отказа) к общему числу ис­пытываемых объектов:

где t_i — время исправной работы i-го объекта.

 

 

2.3. Показатели надёжности восстанавливаемых