3689 НАДЁЖНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Введение

 

Проблема надежности технических систем существует уже несколько десятилетий, и она особенно обострилась с широким внедрением сложных систем. Создание и использование такой техники без специальных мер по  обеспечению ее надежности не имеет смысла. Опасность заключается не только в том, что новая сложная техника не будет работать (будут возникать простои), но главным образом в том, что отказы в ее работе, в том числе и неправильная работа, может привести к катастрофическим последствиям. С учетом этого при проектировании, изготовлении и эксплуатации систем должны предприниматься соответствующие меры, обеспечивающие повышение надежности этих систем.

Методические указания содержат описание четырех лабораторных работ.

В первой лабораторной работе изучаются основные понятия и методика ориентированного расчета надежности электронного блока, для которого известны показатели надежности элементов. Электронный блок рассматривается как невосстанавливаемый в процессе работы объект. Результаты расчета надежности электронных блоков могут использоваться для оценки надежности комплекса технических средств информационной системы.

Вторая лабораторная работа посвящена изучению надежности восстанавливаемой системы. Эта тема традиционно ассоциируется с анализом надежности технических систем, которые в процессе работы при возникновении отказов восстанавливаются. Однако отказать может не только техническое средство, но и информация, которая, например, хранится в базе данных. Приведение базы данных точно в то состояние, которое существовало перед отказом, выполняется с помощью специальных процедур восстановления.

В третьей лабораторной работе исследуется резервированная (дублированная) восстанавливаемая система. Метод резервирования широко используется в информационных системах не только на уровне технических средств, но и на уровне обеспечения сохранности данных. Одной из обязанностей администратора информационной системы является резервирование данных. Наличие резервной копии базы данных позволяет восстановить работоспособность системы при выходе из строя основных файлов данных.

При обмене информацией между разными подсистемами резервирование может быть  реализовано за счет возможности использования дополнительных каналов связи или за счет организации многократной передачи информации и т.п.

Четвертая лабораторная работа посвящена изучению эффективности функционирования восстанавливаемой системы, т.е. степени её приспособленности к выполнению заданных функций. Оценка эффективности важна в тех случаях, когда сложная система при отказе отдельных подсистем продолжает функционировать с некоторым ухудшением качества функционирования.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 071900 «Информационные системы и технологии», изучающих дисциплину «Надежность информационных систем».

 

Лабораторная работа №1

Расчет надежности электронного блока (модуля)

 

  1. 1. Цель работы

Изучение методики расчета показателей надежности электронного модуля при экспоненциальном законе распределения отказов элементов.

 

2. Теоретическая часть

2.1. Основные понятия и термины

 

Система – объект, представляющий совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально. В лабораторной работе под системой понимается электронный модуль, предназначенный для решения определенной задачи.

Элемент системы – объект, представляющий собой простейшую часть системы, например резистор, конденсатор, трансформатор и т.п.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких основных параметров объекта.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Наработка до отказа – наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Невосстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено нормативно-технической документацией.

Технология изготовления современных элементов аппаратуры столь сложна, что не всегда удается проследить за скрытыми дефектами производства, которые должны выявляться на стадии тренировки и приработки аппаратуры. В результате в сферу эксплуатации могут проникать следующие дефектные элементы: резистор с недостаточно прочным креплением токоотвода; токопроводящий слой печатного монтажа, у которого толщина либо чрезвычайно малая, либо чрезмерно большая; интегральная схема, у которой соединение вывода с печатным монтажом недостаточно прочное и т.д. В процессе эксплуатации могут создаваться условия, при которых скрытый дефект приводит к отказу изделия (пиковые нагрузки, вибрация, температурный скачок, помехи и т.д.). При большом уровне случайных неблагоприятных воздействий внезапный отказ может произойти даже при отсутствии скрытых дефектов.

Необходимо отличать логическую схему соединения элементов расчета надежности от электрической схемы соединения радиоэлектронных элементов.

При расчете надежности объекта строится логическая схема соединения его элементов.

В качестве простого примера рассмотрим  два параллельно включенных диода, выполняющих функцию выпрямителя (рис.1).

 

2

 

 

 

б

 

 

 

Рис.1.Схемы соединения элементов:

а-электрическая схема; б-логическая схема

 

 

В принципе эту функцию может выполнить один диод; они запараллелены с целью облегчения режима их работы. С точки зрения отказа «короткое замыкание» их логическая схема – последовательное соединение.

Таким образом, если модуль выходит из строя при отказе любого из его N элементов, то логическая схема расчета надежности состоит из N последовательно соединенных элементов. Надежность таких объектов исследуется в этой лабораторной работе.

 

2.2. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов

Показатель надежности – характеристика, определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность объекта.

Вероятность безотказной работы за наработку tз есть вероятность того, что объект проработает безотказно в течение заданного времени tз, начав работать в момент времени t=0:

P(0,tз) = P(tз) = P(T>=tз), (1)

где tз – заданная наработка; T – случайная величина, представляющая наработку объекта до отказа.

Другими словами, P(tз) является монотонно убывающей функцией, причем очевидно P(0)=1 и P(tз=) = 0, так как любой объект, работоспособный в момент включения, со временем откажет.

Вероятность отказа есть вероятность того, что объект откажет в течение заданной наработки от 0 до tз:

Q(tз) = 1-P(tз) = P(T< tз). (2)

Очевидно, что Q(0) = 0 и Q(tз=) = 1.

Вероятность безотказной работы объекта на интервале времени от t1 до t2 можно определить из соотношения

P(t1,t2) = P(t2)/P(t1) .                                             (3)

Плотность вероятности отказа есть производная от вероятности отказа невосстанавливаемого объекта

.                                               (4)

Одним из основных расчетных показателей надежности является интенсивность отказов:

(5)

Если этот показатель известен, то другие показатели легко рассчитать:

(6)

(7)

.                                    (8)

На участке нормальной эксплуатации преобладают случайные внезапные отказы, поэтому обычно принимают интенсивность отказов . В этом случае говорят, что используется экспоненциальный закон надежности, для которого верны следующие расчетные соотношения:

з)= (9)

Q(tз)=1- (10)

f(tз)= (11)

P(t,t2)= .                                          (12)

 

В качестве показателя надежности невосстанавливаемого объекта широко используется средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до отказа.

Tср= .                                       (13)

Если , то средняя наработка до отказа

Tср=                                              (14)

т.е. при экспоненциальном законе надежности средняя наработка до отказа обратно пропорциональна интенсивности отказов.

Тогда

и                                   (15)

Если t=Tcp, то

P(Tcp,) =

т.е. в этом случае под средней наработкой до отказа можно понимать такую наработку, по истечении которой из множества одинаковых объектов в среднем должны остаться работоспособными 37 %.

 

2.3. Методика ориентировочного расчета надежности

Ориентировочный расчет обычно сопровождает разработку эскизного проекта, когда еще нет полных данных о режимах и условиях работы отдельных элементов разрабатываемого изделия, но уже известна структура, т.е. состав элементов и связи между ними.

Расчет производится обычно при следующих допущениях:

а)     отказы элементов являются событиями случайными и независимыми;

б)    выявляются элементы, отказ которых не приводит к отказу системы. Эти элементы при расчёте надёжности  не учитываются;

в)     вероятность безотказной работы элементов изменяется  от времени по  экспоненциальному закону;

г)     однотипные элементы объединяются в группы. Пусть число элементов j-го типа будет Nj , а общее число групп элементов M;

д)    учёт влияния условий работы производится приближённо.

Составляется таблица (табл. 1), в колонки которой вносится наименование (тип) элементов, их число Nj, базовое значение λ0j интенсивности отказов элементов j-й группы и произведение Nj * λ0j. Затем рассчитывается интенсивность отказов всего устройства:

,                                            (16)

Куэ – поправочный коэффициент, учитывающий влияние условий  эксплуатации системы (табл. 2).

Значения интенсивностей отказов λ0j элементов определяются по справочникам.

Основные количественные характеристики надёжности системы рассчитываются по формулам (9)-(15).

 

Таблица 1

Наименование групп элементов

Количество элементов в группе Nj

Базовая интенсивность отказов элементов в группе λ0j ,1/ч

Nj * λ0j,1/ч

Микросхемы

20

0.000001

0.00002

Транзисторы

10

0.000003

0.00003

Резисторы

30

0.000001

0.00003

 

 

 

Λ=∑Nj * λ0j

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Условия эксплуатации

Значения поправочного коэффициента Куэ

Земля, лабораторные условия

1

Стационарная наземная

10

Корабельная

17

Передвижные платформы

30

Высокогорная

80

Дозвуковая авиационная

120

Сверхзвуковая авиационная

350



 
систему Способствует долголетию