Ващенко Г.В., Добронец Б.С. Надежность информационных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Надежность информационных систем 11

трудовые и материальные ресурсы: трудоемкость изготовления одного ново-

го грузового автомобиля составляет примерно 150 часов, а его капитального

ремонта - 500–600 часов. За весь период эксплуатации затраты на запасные

части, ремонт и техническое обслуживание превышает стоимость нового обо-

рудования: машин и станков — в 5–12 раз, радиотехнической аппаратуры —

в 10–12 раз, самолетов — в 5 раз, автомобилей — в 6 раз, военной техники —

примерно в 20 раз. В некоторых отраслях машиностроения до 75 % произ-

водственных мощностей заняты ремонтом техники, которая выпускается на

остальных 25 %. На восстановление техники ежегодно тратится около 20 %

черных металлов. Ежегодные затраты на техническое обслуживание некото-

рых видов военной техники в два раза превышают ее стоимость.

Усиление ответственности выполняемых функций

Отказы многих современных технических систем могут привести к ката-

строфическим последствиям, крупным техническим и экономическим поте-

рям. Часто экономический ущерб в сотни, тысячи и миллионы раз превышает

стоимость вышедшего из строя оборудования. Например, отказ одной из си-

стем контроля привел к катастрофе на Чернобыльской АЭС. В США отказ

одного элемента стоимостью 5 долларов сорвал запуск спутника стоимостью

около 8 млн долларов.

Автоматизация процессов производства

Автоматизация предполагает отсутствие постоянного непосредственного

наблюдения и контроля за течением процессов со стороны операторов, что

предъявляет дополнительные требования к качеству функционирования и

надежности оборудования, в том числе систем диагностирования и управле-

ния его техническим состоянием.

Актуальность и сложность этих проблем постоянно увеличиваются: од-

но из основных противоречий в развитии техники заключается в том, что

увеличение сложности и связанное с ним снижение надежности техники со-

провождаются повышением требований к надежности.

Основная задача теории надежности — выбор оптимальных техниче-

ских решений при проектировании, конструировании, изготовлении, транс-

портировке, хранении, монтаже, эксплуатации, техническом обслуживании и

ремонте, обеспечивающих сохранение основных технических характеристик

технических объектов и их элементов в течение необходимого промежутка

времени в определенных условиях эксплуатации.

Теория надежности устанавливает и изучает общие принципы и мето-

ды оценки и обеспечения надежности технических устройств и технологи-

ческих процессов, количественные характеристики (критерии) надежности,

исследует взаимосвязь между показателями экономичности, эффективности

12 Общие положения теории надежности

и надежности, разрабатывает методы проведения испытаний и методы обра-

ботки и оценки их результатов, разрабатывает методы контроля надежности,

методы оптимальных режимов профилактических (регламентных) работ при

эксплуатации, методы обоснования норм запасных частей (элементов, дета-

лей, узлов). Кроме того, методы теории надежности позволяют определить

оптимальный уровень качества проектируемой техники, определить ожида-

емую реальную эффективность функционирования, оценить риск выхода из

строя, организовать оптимальное техническое обслуживание и снизить экс-

плуатационные затраты. Теория надежности позволяет также выбрать наибо-

лее эффективные методы повышения надежности и эффективности техники.

При решении этих задач теория надежности использует результаты ис-

следований процессов, лежащих в основе явлений, связанных с потерей ка-

чества и надежности. Широкое применение находят математические методы

теории вероятностей, математической статистики, теории информации, тео-

рии массового обслуживания, линейного и нелинейного программирования,

математической логики, статистического моделирования, теории графов и

др.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами

“жизненного цикла” технического объекта от зарождения идеи создания до

списания: при расчете и проектировании надежность закладывается в проект,

при изготовлении обеспечивается, при эксплуатации реализуется. Поэтому

проблема надежности – комплексная проблема и решать ее необходимо на

всех этапах “жизненного цикла”.

Уровень надежности закладывается в процессе проектирования приме-

нением соответствующей элементной базы и надлежащих конструктивных

решений. На этой стадии возможен расчет надежности будущего изделия,

основанный на статистических данных о надежности элементов и анализе ра-

боты аналогичных технических систем с учетом прогнозируемых условий экс-

плуатации. Достоверность результатов расчета определяется полнотой и точ-

ностью исходной информации. Отклонения режимов технологических про-

цессов снижают надежность по сравнению с расчетным уровнем. Поэтому

достоверное суждение о надежности проектируемой и выпускаемой техни-

ки возможно только на основе экспериментального исследования реальных

образцов серийной продукции в реальных эксплуатационных условиях. Ре-

шение этой задачи является сущностью экспериментальных исследований и

испытаний на надежность.

Многообразие технических систем, а также процессов, которые в них

происходят, сложность взаимодействия элементов друг с другом и с окру-

жающей средой, нестабильность свойств конструкционных материалов и об-

Надежность информационных систем 13

рабатываемых сред, большое количество случайных факторов, оказывающих

влияние на уровень надежности, не позволяют разработать единую методику

расчета и прогнозирования надежности разнообразных технических систем.

В свою, очередь это требует создания и дальнейшего развития максималь-

но формализованной и поэтому достаточно универсальной теории надежно-

сти технических систем, призванной на основании статистических экспери-

ментальных исследований надежности технических объектов и их элементов

разработать достаточно универсальные методики расчета и прогнозирования

надежности, дать рекомендации для ее практического повышения при проек-

тировании, производстве и эксплуатации, для разработки системы планово-

предупредительных ремонтов и создания оптимальных запасов запасных ча-

стей и комплектующих.

Основные принципы теории надежности как науки сформировались срав-

нительно недавно. Однако первые требования к надежности появились прак-

тически одновременно с первыми техническими объектами, хотя и не всегда

достаточно четко формулировались. Например, 4000 лет назад в Древнем

Вавилоне действовал закон, по которому если разваливался дом и при этом

погибал его хозяин, то построивший дом архитектор приговаривался к смерт-

ной казни, если же погибали и члены семьи владельца, то та же участь жда-

ла и семью архитектора. По указу Петра I тульской ружейной канцелярии

предписывалось “два ружья каждый месяц стрелять, пока не испортятся”,

т. е. практически регламентировались испытания ружей на надежность.

История развития теории надежности как науки началась в середине

1940-х — начале 1950-х годов в связи с развитием радиоэлектроники, ядер-

ной физики, реактивной авиации и космической техники, с появлением си-

стем с большим числом элементов. Поводом для проведения первых целена-

правленных исследований в области надежности послужила недостаточная

эффективность военной техники, созданной во время второй мировой войны:

из-за многочисленных отказов до 60 % новых самолетов оказались нерабо-

тоспособными, 50 % электронной аппаратуры выходило из строя за время

хранения, т. е. еще до использования по назначению, средняя наработка до

отказа электронных систем бомбардировщиков составляла всего 20 часов, до

70 % электронных устройств военно-морских судов выходило из строя в на-

чальный период эксплуатации.

Наука о надежности первоначально развивалась главным образом в при-

менении к радиоэлектронным системам в направлении разработки математи-

ческой теории, делались также попытки применения ее основных положений

в других отраслях техники.

В 1940-х годах основные усилия по повышению надежности различных

14 Общие положения теории надежности

технических объектов были направлены на увеличение долговечности их уз-

лов и агрегатов: совершенствование конструкций, использование более проч-

ных материалов, повышение твердости и качества обработки изнашиваемых

поверхностей, совершенствование измерительных приборов и т. д. Кроме то-

го, серьезное внимание стало уделяться проведению планово-предупредитель-

ных работ и ремонтов, разработке экономически обоснованных методик оцен-

ки качества производимой продукции с учетом уровня ее надежности.

В 1950-е годы большое внимание стало уделяться вопросам оценки и

обеспечения безопасности техники, особенно в аэрокосмической и атомной

отраслях, в том числе с учетом ошибок обслуживающего персонала, приво-

дящих к отказам.

В 1960-е годы стала очевидной необходимость в разработке принципи-

ально новых методов обеспечения надежности и безопасности, а также их

применения в различных отраслях с единых методологических позиций. Ос-

новное внимание стало уделяться уже не изучению поведения отдельных эле-

ментов технических систем (механических, электрических, гидравлических

и др.), а влиянию их отказов на работоспособность систем в целом. Разра-

ботка первых межконтинентальных баллистических ракет и пилотируемых

космических кораблей привела к значительному повышению требований по

надежности и безопасности, появлению новых методов и схем оценки пока-

зателей надежности, разработке новых систем регистрации и учета отказов,

эксплуатационных и экспериментальных данных.

В 1970-е годы в связи с развитием атомной энергетики началась интен-

сивная разработка методов оценки промышленного риска, которые в даль-

нейшем стали использоваться в других отраслях.

В 1980-е и 1990-е годы в большинстве промышленно развитых стран

сформировалась достаточно развитая система оценки и обеспечения надеж-

ности и безопасности промышленного оборудования, обеспеченная соответ-

ствующей нормативной и методической базой.

В целом в истории развития теории надежности можно выделить четыре

периода:

• донаучный период (до 1943 г.), в вопросах надежности отсутствова-

ли системность и научный подход, проблемы надежности рассматривались

эпизодически с различных методологических позиций;

• “карандашно-бумажный период” (1943–1958 гг.), когда в описании на-

дежности преобладали вероятностно-статистические методы, моменты на-

ступления отказов рассматривались как чисто случайные события в отрыве

от причин их возникновения;

• период экспериментальных методов оценки надежности (1958–1968

Надежность информационных систем 15

гг.), активное изучение причин возникновения отказов (физики отказов), сбор

и обработка эксплуатационной информации, разработка простейших моделей

отказов;

• период развития математического аппарата теории надежности и

прикладных инженерных методов (после 1968 г.).

В настоящее время в теории надежности получены фундаментальные ре-

зультаты в двух основных направлениях исследований: вероятностно-ста-

тистическом (для технических систем со сложной структурой и сложными

связями между элементами) и детерминированном, связанном с исследова-

нием физики отказов.

В рамках первого направления разработаны математические методы оцен-

ки надежности, статистической обработки результатов испытаний и эксплуа-

тации, создания высоконадежных структур технических систем, планирова-

ния испытаний, контроля и прогнозирования надежности, совершенствова-

ния системы эксплуатации.

В рамках второго направления изучены механизмы процессов, оказы-

вающих основное влияние на надежность, разработаны методы расчета на

прочность и износ, разрабатываются новые технологические методы повы-

шения надежности материалов, элементов и объектов в целом. В настоящее

время наметился процесс слияния этих двух направлений, при этом методы и

результаты из одной области используются в другой и на этой основе возни-

кает единая общая наука о надежности технических объектов. Современная

теория надежности базируется на фундаментальных законах математики и

естественных наук. Математический аппарат теории надежности позволяет

разрабатывать методы расчета характеристик надежности техники практи-

чески любой сложности. Второй теоретической основой науки о надежности

являются результаты исследований физико-химических процессов разруше-

ния, износа, старения и изменения свойств материалов и сред, т. е. физика

отказов. Третьей основой теории надежности является совокупность мето-

дов и алгоритмов расчета, проектирования и оптимизации конкретных ви-

дов техники и элементов (уравнения и зависимости, описывающие рабочие

процессы).

Многие вопросы надежности конкретных технических систем должны

решаться с учетом специфических особенностей протекающих в них процес-

сов и явлений. Однако в последние годы исследования по надежности в основ-

ном направлены на развитие теоретических основ надежности с единых си-

стемотехнических позиций и разработку методов и рекомендаций по расчету

и повышению надежности различных технических объектов. Это позволяет

в ряде случаев эффективно использовать методы, разработанные для одних

16 Общие положения теории надежности

видов техники, к другим, рассматривать общие закономерности и выявлять

фундаментальные законы надежности.

Что касается систем обработки информации, то здесь кроме общих про-

блем надежности возникает еще одна — сохранение информации от порчи или

уничтожения. Что касается умышленной порчи информации или несанкцио-

нированного к ней доступа злоумышленника, то эти проблемы рассматрива-

ются в курсе “Защита информации”. Однако в автоматизированных системах

может произойти порча или уничтожение информации в связи отказом пол-

ном или частичном в работе системы, и изучение этой и выше названных

проблем является целью данной дисциплины.

1.1. Основные понятия и определения

Надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных

пределах значения всех параметров, характеризующих способность выпол-

нять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, тех-

нического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования

(ГОСТ 27.002–83).

Надежность является одной из важнейших характеристик качества объ-

екта — совокупности свойств, определяющих пригодность его использования

по назначению. Но в отличие от точечных характеристик качества (быстро-

действие, производительность и т. д., которые измеряются для некоторого

момента времени), надежность характеризует зависимость точечных харак-

теристик качества либо от времени использования, либо от наработки объек-

та, т. е. надежность — характеристика временная.

Элемент — один или несколько однотипных устройств, предметов, ис-

пытуемых образцов, имеющих количественные характеристики надежности,

учитываемые при расчете надежности всего соединения.

Ячейка — отдельная конструкция, не имеющая самостоятельного функ-

ционального назначения.

Узел — несколько деталей, ячеек, объединенных для выполнения опре-

деленных функций, но не имеющих самостоятельного эксплуатационного на-

значения (регистр команд, регистр флагов).

Устройство — соединение деталей, узлов, имеющее самостоятельное экс-

плуатационное назначение (блок питания).

Прибор — группа блоков, имеющая конструктивно самостоятельное на-

значение.

Установка — группа приборов. Система — устройство, состоящее из

нескольких установок. Надежность его имеет самостоятельное значение. Раз-

Надежность информационных систем 17

личают системы восстанавливаемые (после отказа их можно ремонтировать)

и невосстанавливаемые. Системы могут быть однократно и многократно ис-

пользованы.

Надежность — это сложное свойство, включающее в себя более простые

свойства объекта, которые называются сторонами надежности.

Сторонами надежности являются:

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспо-

собность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработка

— время работы объекта до первого отказа.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособ-

ленности его к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению

работоспособности объекта либо путем проведения ремонта, либо путем за-

мены отказавших элементов.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до на-

ступления предельного состояния при установленном режиме технического

обслуживания и ремонта.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять работоспособность в те-

чение и после его хранения и (или) транспортирования.

Работоспособность — такое состояние объекта, при котором он спосо-

бен выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям нормативно-

технической документации. Работоспособность — это характеристика состо-

яния объекта в некоторый момент времени.

Для оценки надежности ИС находят применение дополнительные сторо-

ны надежности:

Живучесть — свойство объекта или системы сохранять работоспособ-

ность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий,

не предусмотренных нормативными условиями эксплуатации.

Сбой — кратковременное нарушение работоспособности системы, после

которого работоспособность восстанавливается оператором без проведения

ремонта или самовосстанавливается.

Отказ — событие, заключающееся в том, что система полностью или

частично теряет свойство работоспособности.

Ошибка — проявление сбоя или отказа компонента ИС.

Достоверность информации — свойство системы выдавать достоверную

информацию при возникновении в ней сбоев.

Отказоустойчивость — свойство системы продолжать выполнение за-

данных функций после возникновения одного или нескольких сбоев или от-

казов отдельных элементов.

Конфигурация — совокупность и способ взаимодействия программных и

18 Общие положения теории надежности

аппаратных средств системы, направленных на выполнение рабочего зада-

ния.

Реконфигурация — изменение состава и способа взаимодействия про-

граммных и аппаратных средств системы с целью исключения отказавших

элементов.

Ремонт — восстановление работоспособности системы с помощью спе-

циалистов.

Избыточность — дополнительные программные и аппаратные средства,

возможности алгоритма для выполнения дополнительных функций, предна-

значенных для повышения надежности ИС.

Алгоритмическая избыточность — способность обеспечить правильный

результат, несмотря на возможные отдельные ошибки в ходе вычислений. Ин-

формационная избыточность — некоторое повторение информации в той или

иной форме, позволяющее восстанавливать исходные данные в случае каких-

либо нарушений в работе системы. Характерным способом введения избыточ-

ности является резервирование — использование дополнительных средств и

возможностей с целью сохранения работоспособности системы при отказе од-

ного или нескольких ее элементов. Различают статическую и динамическую

избыточность. Статическая избыточность реализуется автоматически сразу

после возникновения отказа: система построена так, что после отказа ее нена-

рушенная часть позволяет продолжить выполнение задания. Динамическая

избыточность реализуется только после некоторой перестройки работы си-

стемы, получившей сигнал об отказе от устройства контроля.

В непосредственной связи с понятием “надежность” находится понятие

“эффективность”. Эффективностью системы называется свойство выдавать

некоторый полезный результат (эффект) при использовании ее по назначе-

нию.

Надежность и эффективность — взаимосвязанные понятия. Чем выше

надежность, тем выше и эффективность системы, но до определенного уров-

ня, так как дальнейшее повышение надежности сопряжено с существенными

экономическими затратами.

Различают эффективность номинальную, реальную, техническую, эко-

номическую.

Эффективность номинальная — это эффективность системы при безот-

казном ее состоянии.

Эффективность реальная — это эффективность реальной системы, т. е.

не обладающей идеальной надежностью.

Эффективность техническая — это технический эффект, полученный

при использовании объекта (количество переданной информации, снижение

Надежность информационных систем 19

затрат времени и т. п.).

Эффективность экономическая — степень выгодности экономических

затрат при использовании системы.

Рассмотренные определения позволяют сделать вывод о том, что надеж-

ность можно характеризовать как способность системы работать безотказно

в заданных условиях эксплуатации. В наиболее общих случаях надежность

ИС и вычислительных машин определяется как сочетание безотказности, ре-

монтопригодности и долговечности.

1.2. Показатели качества промышленной продукции

Качество технического объекта — комплексное свойство, включающее

в себя целую совокупность отдельных свойств.

Для промышленной продукции в соответствии с ГОСТ 22851–77 и РД 50–

149–79 установлены следующие группы и подгруппы показателей качества:

1. Показатели назначения характеризуют свойства продукции, опреде-

ляющие основные функции, для выполнения которых она предназначена, и

обусловливают область ее применения.

2. Показатели надежности характеризуют способность объекта выпол-

нять свои функции в определенных условиях эксплуатации в течение опре-

деленного времени.

3. Эргономические показатели характеризуют удобство использования

и обслуживания объекта человеком.

4. Эстетические показатели характеризуют информационную вырази-

тельность, рациональность формы, целостность композиции и совершенство

исполнения объекта, стабильность товарного вида.

5. Показатели технологичности характеризуют удобство и простоту из-

готовления и эксплуатации объекта.

6. Показатели транспортабельности характеризуют приспособленность

объекта к перемещению без эксплуатации, а также к операциям, связанным с

его транспортированием (трудоемкость упаковки, стоимость перевозки, про-

должительность разгрузки, коэффициент использования тары и т. д.).

7. Показатели унификации и стандартизации характеризуют насыщен-

ность объекта стандартными, унифицированными и оригинальными элемен-

тами (коэффициент применяемости, коэффициент унификации, коэффици-

ент стандартизации и т. д.).

8. Патентно-правовые показатели характеризуют степень обновления

технических решений, их патентную защиту, возможность беспрепятственной

реализации объекта в России и за рубежом.

20 Общие положения теории надежности

9. Экологические показатели характеризуют уровень вредного воздей-

ствия на окружающую среду при хранении, транспортировке, эксплуатации

и ликвидации объекта (содержание вредных примесей в выбросах, уровень

излучений и т. д.).

10. Показатели безопасности характеризуют безопасность человека при

хранении, транспортировке, эксплуатации и ликвидации объекта (вероят-

ность безопасной работы, время срабатывания защитных устройств, нали-

чие и характеристики блокирующих устройств и аварийной сигнализации,

сопротивление изоляции и т. д.).

11. Показатели экономичности (введены с 1 января 1983 года) характе-

ризуют техническое совершенство объекта по уровню потребления им сырья,

материалов, топлива и энергии при эксплуатации.

Понятие качества и номенклатуры показателей качества конкретного

технического объекта в зависимости от назначения, области использования,

классификационных характеристик включает в себя его специфические свой-

ства. Однако для любых технических изделий обязательной составляющей

качества является свойство надежности.

1.3. Классификация объектов по надежности

В основу классификации технических объектов по надежности могут

быть положены различные критерии. В соответствии с ГОСТ 27.002–89 объ-

екты разделяют на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, ремонтируе-

мые и неремонтируемые, обслуживаемые и необслуживаемые.

Восстанавливаемый объект — объект, для которого проведение восста-

новления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической

и конструкторской документации. Для невосстанавливаемого объекта вос-

становление не предусматривается.

Ремонтируемый объект — объект, для которого проведение ремонтов

предусмотрено в нормативно-технической и конструкторской документации.

Для неремонтируемого объекта ремонты не предусматриваются.

Обслуживаемый объект — объект, для которого проведение техническо-

го обслуживания предусмотрено в нормативно-технической и конструктор-

ской документации. Для необслуживаемого объекта обслуживание не преду-

сматривается.

Классификация технических объектов может отражать серьезность по-

следствий отказа и соответственно допускаемую вероятность безотказной

работы (табл. 1.1). В этом случае безотказность определяется по наиболее

ответственным узлам и системам объекта.