Краткое описание методов анализа надежности

 

6.3.1 Прогнозирование интенсивности отказов

 

Прогнозирование интенсивности отказов является методом, который применяют главным образом на ран­них стадиях проектирования для оценки интенсивности отказов оборудования и системы. Он может быть исполь­зован также на стадии производства при необходимости улучшения количества продукции.

Для прогнозирования используют один из трех основных методов:

1) метод прогнозирования интенсивности отказов в исходных условиях, называемый количественным анализом частей;

2) метод прогнозирования интенсивности отказов в эксплуатационных режимах, называемый анализом напряжений частей;

3) метод прогнозирования интенсивности отказов, использующий анализ подобия.

Выбор метода зависит от объема имеющейся информации о системе, а также от необходимой точности аппроксимации.

 

6.3.2 Анализ дерева неисправностей

 

Анализ дерева неисправностей (FTA) является нисходящим методом анализа надежности продукции. Он предназначен для идентификации и анализа условий и факторов, которые вызывают или способствуют появле­нию нежелательного результата и влияют на эффективность, безопасность, экономичность и другие характерис­тики системы.

FTA может использоваться для построения модели прогнозирования надежности, а также при проведении альтернативных исследований на стадии проектирования продукции.

FTA применяют для определения количественных оценок, характеризующих причины неисправности. FTA является эффективным методом, который идентифицирует и оценивает режимы отказов и причины известных или предполагаемых воздействий.

FTA позволяет учесть известные неблагоприятные воздействия и находить соответствующие режимы и при­чины отказов. FTA способствует своевременному смягчению потенциальных режимов отказов и повышению на­дежности продукции на стадии проектирования.

FTA позволяет представить аппаратную и программную функциональные структуры системы, работает с основными событиями и является методом моделирования надежности. FTA учитывает сложные взаимодей­ствия частей системы, моделируя их функциональные зависимости или зависимости отказов, события, вызываю­щие отказ, общие причины событий и позволяет сформировать общее представление о системе.

Для оценки показателей надежности и работоспособности системы с помощью FTA применяют такие мето­ды, как Булевы сокращения и анализ набора вырезок. Основными исходными данными метода являются интен­сивности отказов, интенсивности восстановления, вероятности появления режимов неисправностей для компо­нентов.

 

6.3.3 Анализ дерева событий

 

Анализ дерева событий (ЕТА) распространяется на ряд возможных последствий реализации события или отказа системы. Эффективным может быть соединение дерева событий с деревом неисправностей. Корень дерева событий может быть вершиной дерева неисправностей. Эта комбинация иногда называется анализом причины и следствий, в котором FTA используют для анализа причин, а ЕТА—для анализа последствий реализа­ции события. Чтобы оценить серьезность последствий, которые следуют за реализацией события, необходимо идентифицировать, исследовать и определить вероятность всех возможных последствий.

 

6.3.4 Анализ структурной схемы надежности

 

Метод анализа структурной схемы надежности (RBD) является методом анализа надежности системы. RBD является графическим изображением представления логической схемы системы через подсистемы и/или компоненты и позволяет изобразить пути успеха работоспособности системы в виде логических связей подсистем/ компонентов.

 

6.3.5 Марковский анализ

 

Марковское моделирование — вероятностный метод, который учитывает статистическую зависимость от­казов или характеристики ремонта отдельных компонентов для описания состояния системы. Следовательно, марковское моделирование может учитывать как воздействие независимых отказов компонентов, так и интен­сивности перехода состояний под воздействием напряжений или других факторов. По этой причине марковский анализ применяют для оценки надежности функционально сложных систем со сложными стратегиями ремонта и технического обслуживания.

Метод основан на теории марковских процессов. Для прикладных задач надежности обычно используют гомогенную во времени марковскую модель, которая предполагает, что интенсивности переходов (отказ и ре­монт) являются постоянными. Для этой модели применимы простые и эффективные численные методы решения и единственное ограничение его применения — размерность пространства состояний.

Представление поведения системы с помощью марковской модели требует определения всех возможных состояний системы, предпочтительно изображенных на диаграмме состояний и переходов. Кроме этого, должны быть определены (постоянные) интенсивности перехода из одного состояния в другое (интенсивности отказа или ремонта, интенсивности события и т. д.). Выходами марковской модели являются вероятности пребывания систе­мы в данном наборе состояний (обычно эта вероятность является показателем качества работы системы).

 

6.3.6 Анализ сети Петри

 

Сеть Петри — графический метод представления и анализа сложных логических взаимодействий компо­нентов или событий в системе. Сеть Петри отражает такие сложные взаимодействия как конкуренция, конфликт, синхронизация, взаимное исключение и ограничение ресурса.

Статичная структура исследуемой системы может быть представлена графом сети Петри. Граф сети Петри состоит из трех примитивных элементов:

- мест (обычно изображаемых в виде кругов), которые представляют состояния системы;

- переходов (обычно изображаемых в виде линий), которые представляют события, после которых состояние системы изменяется;

- дуг (изображаемых в виде стрелок), которые подключают места к переходам, а переходы к местам и представляют логически допустимые подключения между состояниями и событиями.

Состояние допустимо в данной ситуации, если соответствующее место отмечено, по крайней мере, одним маркером, изображаемым в виде точки «•». Динамика системы представлена посредством движения маркеров в графе. Переход допускают, если его входные места содержат, по крайней мере, один маркер. Допускаемый переход может быть выполнен. При удалении перехода удаляют один маркер из каждого входного места и поме­щают один маркер в каждое место вывода. Правила постановки и удаления маркеров позволяют получить все достижимые маркировки, называемые набором достижимости сети Петри. Набор достижимости включает все состояния, в которые система может попасть из начального состояния.

Стандартные сети Петри не содержат понятия времени. Однако появилось много расширений в сети Пет­ри, в которые добавлена синхронизация. Если интенсивность удаления (постоянная) действует при каждом пере­ходе, динамика сети Петри может быть проанализирована посредством непрерывной марковской цепочки вре­мен, пространство состояний которой изоморфно, с набором достижимости соответствующей сети Петри.

Сеть Петри может быть использована как язык высокого уровня для создания марковских моделей. Некоторые инструментальные средства анализа надежности основаны на этом методе.

Сети Петри обеспечивают также условия для моделирования.

 

6.3.7 Анализ видов и последствий отказов

 

Анализ видов и последствий отказов (FMEA) является восходящим методом анализа надежности, который обычно применяют для изучения материала, компонентов, отказов оборудования и их воздействий на следующий более высокий функциональный уровень системы. Итерации этих шагов (идентификация одиночных режимов отказов и оценка их воздействия на следующий более высокий уровень системы) заканчиваются идентификацией всех режимов единичных отказов системы. FMEA может быть использован для анализа систем, использующих технологии с простыми функциональными структурами отказов (электрические, механические, гидравлические, программные и т. д.). Анализ видов, последствий и критичности отказов (FMECA) расширяет FMEA, определяя количество последствий отказа через вероятности появления и серьезности последствий. Серьезность послед­ствий оценивают в соответствии с заданной шкалой.

 

6.3.8 Исследование опасности и работоспособности

 

Исследование опасности и работоспособности (HAZOP) — это детальный процесс идентификации проб­лем опасности и работоспособности, выполняемый группой специалистов. HAZOP предназначен для идентифи­кации потенциальных отклонений от целей проекта, а также для экспертизы их возможных причин и оценки последствий.

В основе HAZOP лежит экспертиза с помощью управляющих слов. Основное назначение HAZOP — поиск отклонений от целей проекта, пожеланий проектировщика или требований спецификаций к функционированию системы, ее элементам и характеристикам. Чтобы облегчить экспертизу, систему делят на части таким образом, чтобы для каждой части была определена цель проекта, которая выражается через элементы, передающие особенности, присущие этой части и представляющие собой компоненты части.

Элементы могут быть дискретными шагами или стадиями в процедуре, отдельными сигналами и элементами оборудования в системе управления, оборудованием или компонентами в процессе или электронной системе и т. д.

Идентификация отклонений от целей проекта достигается в процессе опроса с помощью заданных управ­ляющих слов. Управляющее слово должно стимулировать образное мышление, сосредоточивать исследование на конкретную цель и выявлять идеи и суждения, максимизируя полноту исследования.

 

6.3.9 Анализ надежности человеческого фактора

 

Анализ надежности человеческого фактора (HRA) является частью анализа человеческого фактора, кото­рый включает распределение функций, задач и ресурсов среди людей и машин и оценку надежности действий человека. Анализ человеческого фактора не, является самостоятельной дисциплиной. В этом методе использу­ются такие дисциплины как психология, физиология, социология, медицина и проектирование.

Специфическая цель анализа человеческого фактора состоит в том, чтобы оценить факторы, которые могут воздействовать на надежность действий человека при эксплуатации системы (анализ надежности человеческого фактора). Надежность человека необходима для успешной работы системы «человек — машина» в условиях воздействия различных факторов. Эти факторы могут быть внутренними (напряжение, эмоциональное состояние, обучение, побуждения и опыт) или внешними (часы работы, среда, действия диспетчеров, процессов, аппаратных средств).

 

6.3.10 Анализ прочности и напряжений

 

Анализ прочности и напряжений определяет способность компонента или элемента противостоять электрическим и механическим воздействиям окружающей среды или другим напряжениям, которые могут быть причиной отказа. Этот анализ определяет физические последствия воздействия на компоненты, а также механические или физические свойства компонента. Вероятность отказа компонента прямо пропорциональна прикладываемым напряжениям. Определенные отношения напряжений к прочности компонента определяют надежность компонента.

 

6.3.11 Таблица истинности

 

Основой метода таблицы истинности (ТТМ) является анализ функциональной структуры. Его применяют при разработке электрических и электронных систем. Метод заключается в составлении списка всех возможных комбинаций состояний (работоспособное состояние, неработоспособное состояние) компонентов системы и изучении их последствий.

 

6.3.12 Статистические методы оценки вероятности безотказной работы

 

Безотказность является свойством, которое можно определить с помощью показателей безотказности. Показатели безотказности являются вероятностными характеристиками и требуют применения статистических методов.

Статистические методы могут быть использованы для определения количественной оценки показателей безотказности, включая:

- оценку и прогнозирование показателей безотказности продукции;

- оценку характеристик материалов в течение гарантийного срока эксплуатации или в процессе проектирования продукции;

- прогнозирование гарантийных затрат;

- оценку последствий предложенного изменения проекта;

- оценку выполнения требований технического регулирования и заказчика;

- наблюдение за продукцией в процессе ее эксплуатации для получения информации о причинах отказов и методах повышения безотказности продукции;

- сравнение компонентов, изготовленных на двух и более предприятиях с применением различных материалов и эксплуатируемых в различных условиях.

Для применения статистических методов необходимо собрать соответствующие данные, которые зависят от решаемой задачи. Данные, используемые для анализа безотказности, должны представлять собой информа­цию об эффективности работы элементов, которые могут отказать (например, в условиях эксплуатации). Тип данных зависит от типа исследуемого элемента. Например, основными данными для устройств краткого действия являются количество испытуемых элементов и количество неотказавших элементов. Основными данными для невосстанавливаемых элементов являются наработки до опасных событий (для системы). Основные данные для восстанавливаемых элементов — наработки в процессе срока службы элемента. Обычно не все элементы отка­зывают за период наблюдений. Поэтому наработку до отказа фиксируют только для отказавших элементов, а продолжительность наблюдений — для неотказавших элементов. Такие данные называют цензурированными. Их обработка достаточно сложна и зависит от целей исследования надежности и особенностей элемента.

В дополнение к основным данным в статистический анализ может включаться информация о факторах, влияющих на безотказность для оценки их воздействия на эффективность.

В статистических методах используют только количественные данные. Данные о надежности, соответству­ющие предыдущим испытаниям или эксплуатации, могут быть ограниченными, но полезными для оценки надеж­ности.