Аналіз надійності інформаційних систем на етапі їх проектуванні

Одночасно з розвитком електроніки, авіаційної і інших видів техніки  росли вимоги зменшення маси і  габаритів апаратури, вимоги до скорочення термінів проектування і впровадження. Інтуїтивний і емпіричний підходи  перестали задовольняти вимогам практики. Виникли остаточні передумови для створення нової наукової дисципліни – теорії надійності, яка досліджує і науково обґрунтовує загальні методи і прийоми, яких слід дотримуватися при проектуванні, виготовленні, прийманні і експлуатації систем для забезпечення максимальної ефективності від їх використання.

У 50-і роки остаточно отримав  визнання новий науково-технічний  напрям "надійність". Видатна роль в цьому належить А.И. Бергу, Н.Г. Бруевичу, Б.В. Гнеденко, В. І. Сидорову, Б.С. Сотскову. Основні чинники, що гарантують специфіку етапів цього напряму, умовно розбиваються на три групи.

До чинників 1–ої групи, які характеризують початкові умови розвитку на кожному  етапі і актуальність розвитку напряму, відносяться:

• рівень складності створюваних систем;
• рівень надійності використовуваних готових елементів і вивченість характеристик матеріалів і елементів;
• мінливість і вивченість умов експлуатації;
• обсяг виробництва створюваних систем і відповідальність вирішуваних ними завдань.

Складність системи можна охарактеризувати мінімальним числом елементів, що принципово дозволяють системі виконувати усі покладені на неї функції. Для одного класу систем, т. е. при збереженні приблизно постійного співвідношення між числом елементів, масою, габаритами, енергоспоживанням, продуктивністю, будь-який з цих параметрів може бути використаний для порівняння складності систем. При цьому розглядається мінімізована структура системи, позбавлена усіх видів резерву.

Для систем з резервуванням необхідним показником є коефіцієнт резервування. Для структурного резервування він характеризується відношенням загального числа елементу до числа елементів мінімізованої структури (усереднена кратність резервування), для функціонального резервування – відношенням номінальної продуктивності до мінімально необхідної і тому подібне. Труднощі забезпечення надійності конкретної створюваної системи в першу чергу визначаються її складністю і рівнем безвідмовності елементів, з яких вона створюється. Для відновлюваних систем істотними є характеристики ремонтопридатності. Так, для багатьох типових випадків радіоелементів безвідмовність їх характеризується інтенсивністю відмов ( – характеристикою) а ремонтопридатність – інтенсивністю відновлення ( – характеристикою). Характеристики ремонтопридатності визначаються як властивостями самих елементів, так і рівнем організації системи, в якій вони застосовуються. У свою чергу, можливості застосування елементів і матеріалів в системах з різними рівнями організації багато в чому залежать від міри вивченості характеристик елементів і матеріалів. Загальновідомий факт, що для елементів, вірогідність безвідмовної роботи яких підкоряється експоненціальному закону, втрачають сенс профілактичні заміни, оскільки надійність справного в даний момент елементу в цьому випадку не залежить від передісторії, тобто від попереднього напрацювання.

Але, по-перше, це положення вірне  для інтервалу функціонування, меншого довговічності елементу. По-друге, картина міняється, якщо для елементів вивчені і встановлені ознаки наближення стану відмови, навіть якщо вони (ці ознаки) дозволяють передбачати не усі види можливих відмов і час упевненого пророцтва мало. Отже, додаткова інформація про довговічність елементів або ознаки наближення станів відмови дозволяє використати ці елементи в системах з обслуговуванням.

Оскільки інформація про впливаючи  чинники потрібна розробникові для  вибору заходів захисту апаратури  і людини, визначальними є не абсолютні значення величин цих чинників, а їх співвідношення із здібностями елементів або засобів захисту, що несуть. Більше того, для засобів пасивного і постійного захисту визначальними можуть бути: максимально досяжне значення навантаження, середнє значення, а швидкість зміни чинника може не робити впливу на швидкість рішення задачі. При використанні гнучкіших активних засобів захисту витрачання енергії (чи інших ресурсів) на регулювання, стабілізацію умов експлуатації пов'язано з поточним рівнем дій, а, отже, істотного значення набуває динамічна мінливість чинників.

В процесі створення системи  вивченість чинників, що впливають  на її елементи, зростає за рахунок  експериментальної перевірки взаємного  впливу елементів і ефективності засобів захисту, уточнення технологічних  дій на елементи при виготовленні, технологічному контролі. В процесі застосування уточнюються характеристики дій на систему.

Як правило, міра відповідальності завдань, що вирішуються системами, може бути оцінена величиною збитку через невиконання системою своїх  завдань. У ряді випадків, коли справа стосується морального збитку або безпеки людей, кількісна оцінка ускладнена. Відповідальність вирішуваних системами завдань визначає рівень обґрунтованих вимог до надійності систем, а, отже, вимог до розвитку напряму "надійність систем".

Усіма цими чинниками, по суті, визначається рівень початкової невизначеності, з якою зустрічається розробник нової системи, а також необхідний рівень надійності, що гарантує успішну і своєчасну реалізацію програми створення і застосування системи.

До чинників другої групи, що характеризують можливості науково – технічного напряму, слід віднести організаційне, технічне, програмне, інформаційне і методичне забезпечення.

Організаційне забезпечення включає  встановлений порядок планування і  реалізації робіт по забезпеченню надійності, організацію служб надійності, існуючі економічні, адміністративні і правові стосунки між споживачами, розробниками і виготівниками систем.

Технічне забезпечення визначається станом засобів обчислювальної техніки, експериментальною і виробничою базою, рівнем технології.

Методичне забезпечення включає природно–научний фундамент і спеціальні технічні науки як теоретичну базу напряму, у тому числі інженерні методи аналізу надійності систем на різних стадіях створення, методи синтезу раціональних програм забезпечення надійності, а також методи і алгоритми, використовувані при реалізації і аналізі результатів реалізації програм забезпечення надійності.

Інформаційне забезпечення включає  засоби і способи збору, накопичення, обробки і використання даних про процес створення і результати застосування систем даних за результатами аналізу відмов, дефектів, зауважень, відступів, змін документації, порушень стабільності виробництва, зривів термінів та ін. фактів відхилень від запланованого ходу створення і застосування техніки, а також даних по заходах попередження, контролю і захисту наслідків цих відхилень, що приймаються.

Чинниками другої групи визначаються умови, в яких створювався напрям або починався черговий етап його розвитку. В той же час науково-технічний напрям в процесі свого розвитку робить вплив на ці умови, і відповідно, на розвиток інших напрямів.

До чинників третьої групи відносять  основні результати розвитку напряму на цьому етапі. За допомогою цих результатів на кожному етапі формуються початкові умови для наступного етапу, тобто визначаються значення ряду чинників з перших двох груп. Для напряму "надійність" найбільш показовою є зміна стандартів в області якості і надійності, взаємовідносин постачальників і споживачів систем, методології дослідження надійності. Проте основною характеристикою розвитку напряму є рівень організації структури створюваних систем і самого процесу створення і застосування систем.

Поняття "організація" є основною в кібернетиці. Наявність організації між частинами цілого еквівалентна існуванню обмежень в просторі можливих станів цілого. Організація структури системи визначає наявність впорядкованості, обміну інформацією між її елементами і, як результат, гнучкість і динамічну стійкість поведінки можливості системи обробляти інформацію, ефективно управляти об'єктом. Організація процесу визначає гнучкість управління створенням і застосуванням систем і можливість використання при цьому управлінні додаткової оперативної і корисної інформації.

Більш високому рівню організації відповідає економічне витрачання ресурсів резервування, закладеного в систему, при одному і тому ж початковому рівні невизначеності. При одному і тому ж рівні резервування (коефіцієнті корисної дії відносно речовини і енергії) і рівні початкової невизначеності системи з більш високим рівнем організації мають більшу ефективність. Таким чином, рівень організації по сенсу близький до інформаційного коефіцієнта корисної дії.

5. Основні етапи розвитку науково-технічного напряму "надійність"

Аналізуючи вказані вище чинники, фахівці виділили чотири етапи розвитку науково-технічного напряму "надійність":

• 1-й етап – 50-і роки – становлення напряму;
• 2-й етап – 60-і роки – етап класичної теорії надійності;
• 3-й етап – 70-і роки – "третє покоління в надійності";
• 4-й етап – 80-і роки – теперішній час – "автоматизація оцінки надійності і оптимізація резервування".

Перший крок у вирішенні проблеми надійності був спрямований на з'ясування причин відмов устаткування. У грудні 1950 р. Військово-повітряні сили США організували групу по надійності радіоелектронного устаткування для вивчення проблеми і вироблення заходів по підвищенню надійності і скороченню експлуатаційних витрат.

У кінці 1952 р. Міністерство оборони  США утворило консультативну групу  по надійності, мета якої полягала в тому, щоб "давати поради, стимулювати інтерес до питань надійності і рекомендувати заходи, які привели б до підвищення надійності електронного устаткування". У 1957 р. ця група, складена з представників урядових організацій і промисловості, опублікувала доповідь зі своїми рекомендаціями. Пізніше ці рекомендації з'явилися у військових стандартах на електронне устаткування і системи. Головною причиною ненадійності радіоелектронної апаратури була низька надійність комплектуючих елементів. Тому перед розробниками і дослідниками постали наступні питання:

• які головні причини ненадійності елементів і шляху їх усунення;
• чи існують можливості створення надійних систем з елементів обмеженої надійності;
• чи можна прогнозувати надійність створюваної системи на етапах проектування.

Підвищення надійності елементів  було досягнуте завдяки вивченню впливу на відмови таких чинників, як температура довкілля, вібрації, електричне навантаження, і більшою мірою завдяки вдосконаленню процесу розробки, технології виготовлення і контролю готових систем. Був зібраний хороший статистичний матеріал для отримання оцінок характеристик надійності радіоелементів у виді – характеристик, а також для оцінки залежності – характеристик від електричних, механічних і теплових навантажень.

На друге питання була також  знайдена позитивна відповідь: резервування ненадійних елементів і схем. Використання схем з резервуванням привело до розвитку методів аналізу надійності, а також теоретичних методів синтезу надійних схем з ненадійних елементів.

Використання  імовірнісних моделей, заснованих на гіпотезі про експоненціальний закон розподілу часу повністю електронного устаткування, дало позитивні результати, оскільки з'явилися можливості прогнозування надійності створюваних систем.

Одночасно з підвищенням надійності електронного устаткування відбувався перерозподіл значущості джерел ненадійності. Центр тяжіння переміщався на механічне і електромеханічне устаткування, на конструкцію приладів і агрегатів, на стики систем, на забезпечення роботи устаткування в недостатньо добре відомих умовах.

Перехід до другого етапу почався в 1958 р., коли з'явилися перші контракти, що вимагали експериментального підтвердження надійності апаратури.

Зростаюча кількість випробувань на надійність і чіткий аналіз причин відмов показала залежність між конструкцією "приладів", технологією виробництва, випробуваннями, експлуатаційними умовами, з одного боку, і відмовами елементів – з другом. Було усвідомлено, що відмови мають причини, які треба виявити і усунути. Найбільш наочне втілення вимог американських стандартів цього часу проілюстровано програмою "Апполон", реалізація якої за часом співпадає з другим етапом. Велика програма забезпечення надійності в процесі виробництва і наземного відробітку на унікальній експериментальній базі дозволила виявити численні конструктивні і технологічні дефекти, які привели б до відмов устаткування у польоті

В процесі роботи на другому етапі  була відмічена недостатня ефективність прямих статистичних випробувань на надійність у поєднанні з подальшим вибірковим виробничим контролем працездатності елементів і систем, що не виключає відмов систем при експлуатації.

З'явилися  нові питання: як визначити на самих  ранніх стадіях створення системи шляху і можливості забезпечення надійності? як розміряти програму забезпечення надійності з мірою відповідальності вирішуваних завдань і очікуваним від рішення цих завдань ефектом?

У період з 1968 р. відзначається перехід  до 3-го етапу. До цього часу був накопичений великий об'єм експериментальних даних і багатий досвід виготовлення високонадійних систем. В той же час не завжди обґрунтоване застосування моделей і оцінок надійності, заснованих тільки на експоненціальному законі, стало гальмом в забезпеченні надійності. У зв'язку з цим НАСА був опублікований новий варіант вимог по надійності:

• чітке планування і ефективне керівництво усіма роботами в області надійності;
• визначення спеціальних завдань в області надійності і їх ролі і місця в процесі проектування і розробки;
• оцінка надійності устаткування (з урахуванням взаємного впливу документального і математичного забезпечення) шляхом використання інженерного аналізу, випробувань, експертних оцінок і прогнозування;
• регулярна і своєчасна інформація про стан справ в області надійності системи, що розробляється.