Надежность

Надежность

Вероятность безотказной работы 
какого-либо устройства в течение 
заданного срока службы. 

Показатель доверия

Не ищите слово "надежность" в Большой советской энциклопедии, вы его там не найдете. Почему? Да потому, что это слово совсем недавно превратилось в понятие, без которого не обходятся теперь ни наука, ни техника, ни промышленность.

Чтобы объяснить возникновение проблемы надежности, достаточно привести несколько фактов. Во время второй мировой войны 60% самолетного оборудования, переброшенного армией США на Дальний Восток, оказалось неисправным, а 50% оборудования и запасных частей вышло из строя на складах. Проверка показала, что радиолокационное оборудование находилось в неработоспособном состоянии 84% времени, гидроакустическое - 48%, радиосвязное - 14%.

Возьмем сразу, что называется, быка за рога и без всяких предварительных разговоров посмотрим, что же значит надежность. Объяснит это нам известный математик профессор Б. В. Гнеденко.

Если испытать несколько электронных ламп одного и того же типа и из одной партии на срок службы, то окажется, что каждая из них работает разное время. Заранее указать, какова величина безотказного времени работы той или иной лампы, нельзя. Можно только указать, сколько в среднем ламп из очень большого их числа проработает не меньше заданного срока.

Иными словами, для каждой лампы, так же как и для каждого другого изделия, срок службы представляет собой случайную величину. Ученые и должны вычислить вероятность безотказной работы устройства в течение заданного срока службы. Эту вероятность они называют надежностью.

Вспомните межпланетную космическую станцию. Сколь сложна ее работа! И для того чтобы работа была еще и удачна, надо, чтобы все оборудование станции действовало безотказно в течение всего срока службы. Другими словами, все оборудование межпланетного посланца должно отличаться высокой надежностью - малой вероятностью выхода из строя какого-либо элемента.

Для оценки важности понятия "надежность" нам придется вести довольно тривиальный разговор о сложности мира современных машин и приборов. И придется для иллюстрации взять несколько примеров.

Обычная электронная лампа - в ней от 60 до 90 деталей. А например, бортовая аппаратура пилотируемого корабля "Восток", весом 2000 кг (при весе корабля 4625 кг) имела 300 приборов, содержащих 240 электронных ламп, 6300 полупроводниковых устройств, 760 электромагнитных реле и переключателей. И вся эта сложнейшая аппаратура должна была работать длительное время в условиях значительных перегрузок, вибраций, резких изменений температуры и давления. Не случайно ученый-космонавт, доктор технических наук К. П. Феоктистов писал: "Надежность стала для космонавтики тем, чем является для человека воздух: без надежности она просто не могла существовать".

Продолжим наши примеры.

Электронная вычислительная машина состоит из десятков тысяч ламп, полупроводниковых диодов и триодов, сопротивлений, соединений, спаек.

Система управления американского межконтинентального снаряда "Атлас" содержит более 300 тысяч элементов.

И надежность подобных комплексов определяется самым слабым его элементом! Тем, который скорее всего выйдет из строя. А как знать, какая же из множества деталей окажется самой слабой? Взять хотя бы "Атлас". Если каждый его элемент в среднем может проработать безотказно десять тысяч часов, то даже тогда за каждые две минуты можно ждать одной неисправности, одного отказа в работе.

Выходит, чем сложнее система, тем менее она надежна? По этому поводу известно остроумное замечание академика А. И. Берга о преимуществе в надежности каменного топора перед современными агрегатами: в каменном топоре нечему выходить из строя.

Академик Берг приводит и другой пример, из которого. видно, как надежность каждого элемента в машине влияет на ее надежность в целом.

Испытывали один из образцов электронно-вычислительной машины. Результаты были малоутешительными, она не соответствовала требованиям надежности. Стали искать причину. Оказалось, что недостаточно надежны самые массовые детали - непроволочные сопротивления.

Для изготовления этой простой детали идет девять материалов: керамика, латунь, эмаль, абразивные камни и другие. Каждая деталь проходит двенадцать технологических операций, любая из них влияет на надежность.

В топоре по сравнению с современным агрегатом нечему выходить из строя. И мозг в определенной степени надежнее ЭВМ

В образце машины, проходившем испытания, было около 600 тысяч непроволочных сопротивлений. Подсчитаем теперь, сколько же факторов влияет на надежность этой машины только от одних сопротивлений: 600 000X9X12 = 64 800 000! Гигантское число! А ведь в машине еще десятки тысяч других деталей...

Надежность работы сложных систем и машин для каждой отрасли определяется по-своему. В измерительных приборах ее определяет точность показаний, в гидрооборудовании - безотказность при разных режимах работы. Надежность же электронно-вычислительных машин определяют точность приема, обработки и выдачи готовой информации.

Классификация изделий в теории надежности. Одни изделия - элементы радиоаппаратуры, приборы, сопротивления, детали машин, подшипники - не восстанавливаются. Другие - электронные вычислительные и управляющие машины, автомобили, станки - восстанавливаются. Третьи - например, бортовые устройства ракет или спутников - не восстанавливаемые в полете, восстанавливаются при хранении или подготовке к старту

Если работа вычислительного устройства ненадежна, жди ошибок, искажений.

Все изделия, изготовленные человеком, обладают, пусть хоть самой малой, ненадежностью. Поэтому перед наукой и техникой встает вопрос, как повысить надежность.

Есть несколько путей, по которым идут к этой цели. Прежде всего - постоянное повышение надежности каждого элемента, каждой детали в агрегате, в системе. Чем надежнее звено, тем надежнее цепь в целом. Но не всегда этот показатель надо повышать любыми средствами, любыми путями. Не всегда это оправдано экономически.

Как же поступать тогда? На первый взгляд, совершенно неправдоподобно: построить надежно работающую машину из недостаточно надежных элементов. И над этим "неправдоподобным" решением работают ученые. Вот как применяют его к логическим машинам на "релейных элементах".

Допустим, устройство состоит из трех реле, контакты которых могут быть замкнуты или разомкнуты. Легко подсчитать, что эти контакты в зависимости от различных комбинаций включения и отключения реле могут принимать восемь различных состояний. Каждое состояние выполняет определенную операцию, например управления. Повреждение любого контакта вызывает другое состояние. А так как каждому состоянию соответствует - и очень строго - своя собственная команда управления, то повреждение приведет к неправильной команде - система ошибется.

Есть ли здесь выход? Есть. Он заключается в том, что надо увеличить число реле и выбрать из всех возможных состояний для управления те, которые при искажениях не переходят одно в другое.

Этот прием - так называемое резервирование - сродни дублированию в живой природе, обладательнице великолепных надежных систем, состоящих из менее надежных элементов. Например, мозг человека как система неизмеримо надежнее отдельного элемента - нейрона: работоспособность организма сохраняется даже при выходе из строя миллионов нейронов. Попробуйте-ка отыскать какое-либо техническое устройство, которое продолжало бы работать исправно, если бы отказал всего-навсего один элемент!

Резервирование - направление перспективное, здесь получены немалые результаты, ждут больших. И все-таки, по мнению специалистов, путь к достижению высокой надежности другой.

Нельзя ли создать такую систему, машину или устройство, которое бы автоматически предупреждало о вероятности выхода из строя части, детали, узла? Мало того: нельзя ли автоматически и включать резервную часть, узел, деталь в работающую систему? Ведь включает же живой организм сам резервные каналы, исключая опасность простоя. Работы и в этом направлении уже ведутся. Сегодня некоторые машины сами контролируют ход выполняемых операций и подают предупредительные сигналы о каких-либо неисправностях. Другие машины сами умеют проверять свои электронные устройства, обнаруживая при этом 99,9% ламп или иных деталей, могущих выйти из строя.

Резервирование бывает разным. При 'повторении' строят новую систему и подключают ее различными способами. Метод 'гамакообразных структур' спасает, если повреждения могут произойти и в основной, и в резервной структурах. 'Голосование' предусматривает замену всего устройства или блока одинаковыми и подключение еще специальных устройств - смесителей

В институте автоматики и телемеханики Академии наук СССР группа ученых во главе с академиком В. Трапезниковым создала цифровую вычислительную машину, которая в случае неисправности сама себе ставит "диагноз". Если отказал какой-то узел или вышла из строя деталь, то сразу становится известным место повреждения.

Применение такого рода достижений современной техники подняло надежность больших вычислительных машин почти до 98%. Это значит, что машины (за вычетом времени на осмотры и предупредительный ремонт) эффективно работают 85% времени. Известен случай, когда вычислительная машина, состоящая из 13 тысяч микроэлектронных схем, проработала безотказно 33 тысячи часов. Большой показатель надежности, хотя и не предельный!

Широким фронтом наступают ученые на надежность - всеми возможными средствами стараются они увеличить "показатель доверия" к машине. Борьба за надежность по-настоящему только начинается. Но надо помнить, как говорят специалисты, что проблема надежности, будучи удовлетворительно решена сегодня, по-новому возникнет завтра и никогда не будет снята, пока используемые человеком технические средства будут совершенствоваться и усложняться.

Показатель доверия