Надежность, эргономика и качество АСОИ и У.

Характеристика, актуальность и аудитория  дисциплины:

Существенными особенностями современных технологий и соответствующих процессов является требования точной поддержки значений их существенных параметров относительно заданных оптимальных значений, в сочетании с увеличением скорости изменения таких параметров, а также высокие требования к свойствам выходной продукции. Для управления указанными процессами требуется обработка значительных объемов информации в реальном времени. Ручное управление такими процессами невозможно. В этих условиях большая часть задач управления передается средствам АСУ, которые выполняют не только традиционные функции контроля технологических параметров, автоматическое регулирование, защиту от аварии и т.п., но и оптимальное управление допустимыми режимами, адаптивное управление, расчет технико-экономических показателей производства, пуск и останов отдельных агрегатов и линий или производства в целом. При этом важной задачей при создании методов и средств АСУ является установление и достижение требуемого уровня их (методов и средств АСУ) надежности. Установленный уровень надежности в значительной степени определяет эффективность технических систем. Поскольку процессы изменения параметров систем, изменение условий эксплуатации, моменты времени отказов, длительность работ по восстановлению являются случайными, то основным математическим аппаратом теории надежности являются теория вероятностей, математическая статистика, теория массового обслуживания и математическая логика.

Теория надежности является прикладной наукой. Она изучает общие закономерности, которых необходимо придерживаться при проектировании, изготовлении, испытаниях и эксплуатации техники в целях получения максимального эффекта и безопасности.

В теории надежности исследуются закономерности появления отказов, восстановления работоспособности, разрабатываются и рассматриваются   методы расчетов на надежность, прогнозирование отказов, способы повышения надежности на разных этапах жизненного цикла технических изделий.

Курс предназначен для студентов старших курсов и магистров, специализирующихся в области методов и средств создания и использования автоматизированных / автоматических систем управления.

Цель и задачи дисциплины:

Целью преподавания курса является ознакомление и обучение студентов основам теории надежности, ее приложениям в различных производственных условиях, в частности, в условиях функционирования АСУ, как на технологическом, так и организационном уровнях.

Содержание дисциплины:

Основные понятия и определения теории надежности: надежность АСУ, надежность элемента, надежность системы. Безотказность, работоспособность, долговечность, ремонтопригодность и восстанавливаемость. Сбой, отказ, классификация отказов.

Показатели безотказности невосстанавливаемых систем: вероятность безотказной работы, вероятность отказа, интенсивность отказов, средняя наработка до отказа. Основные законы распределения наработки до отказа: показательный закон, нормальный закон, распределение Вейбулла - Гнеденко. Теоретические и статистические оценки показателей надежности.

Потоки отказов восстанавливаемых систем. Процесс восстановления. Показатель безотказности восстанавливаемых систем: функция и параметр потока отказов, средняя проработка между отказами.

Показатель ремонтопригодности и долговечности. Комплексные показатели надежности.

Логико-вероятностные методы расчета надежности. Структурный анализ и структурные преобразования в расчетах надежности: «треугольник - звезда», метод ключевого элемента. Расчет надежности с использованием формул полной вероятности. Типовые случаи расчета надежности: последовательное и параллельное соединение элементов системы.

Математические модели расчета надежности с использованием теории марковских и полумарковских процессов, регенерирующих процессов, теории нечетных множеств.

Надежность систем «Человек-машина»: расчет надежности функционирования с учетом действия оператора в автоматизированной системе; надежность управленческих решений. Элементы статистического моделирования надежности на ЭВМ: последовательность и содержание работ, оценка результатов. Требования к точности расчетов надежности.

Надежность программного обеспечения: модель надежности программ (Шумана, Джелинского-Моральды, Шика-Вонвертона). Прогнозирование надежности программ на ранних этапах разработки. Классификация ошибок и экспериментальная оценка числа ошибок в программе.

Резервирование объектов и его виды. Расчет невосстанавливаемых систем с постоянным резервом: общее резервирование с целой и дробной кратностью, мажоритарное резервирование. Ненагруженный, облегченный, нагруженный резерв. Общее резервирование с «быстрым » восстановлением отказавшего элемента исправным.

Надежность восстанавливаемых систем с резервированием замещением. Расчет надежности с учетом глубины контроля.

Виды работ при техническом обслуживании, стратегии обслуживания; экономико-надежностные обоснования целесообразности ремонта.

Стратегии эксплуатации оборудования: до отказа, по заданному ресурсу, по состоянию. Задачи и методы технической диагностики: технические способы и методика проведения процедур контроля.

Виды испытаний на надежность: определительные, контрольные, специальные, точечные и интервальные оценки. Задачи, возникающие при испытаниях на надежность. Выводы об испытаниях на надежность. Планирование при испытаниях на АСУ при минимальной априорной информации о надежности. Прогнозирование отказов по косвенным признакам эксплуатации АС.

Обеспечение эргономического качества. Оптимальные задачи эргономики. Эргономическая экспертиза. Тестирование, верификация, валидация.

Требования к уровню освоения:

Для успешного усвоения материалов курса необходимы следующие знания: основы математического анализа, теории вероятностей, математической статистика, теории массового обслуживания, а также математической логики в объемах, соответствующих программам обучения для этих дисциплин, основы системного анализа и исследования операций, программирование.

В результате обучения студенты должны знать логическую основу теории надежности и основные математические модели по расчету и повышению надежности функционирования производственных технологических объектов, элементов АСУ (технического и программного обеспечения др.), а так же математические модели испытаний на надежность.

Базовые вопросы по курсу:

1. Состояния и события применительно к техническим системам.
2. Основные детерминанты понятия «надежность».
3. Качественные показатели надежности.
4. Вероятности отказа и безотказной работы.
5. Интенсивность отказов. Вероятность безотказной работы (через показатель интенсивности отказов).
6. Остаточная наработка и её функция распределения.
7. Средняя наработка на отказ. Графическая иллюстрация.
8. Статистический анализ невосстанавливаемых систем.
9. Показать, что для экспоненциального распределения случайной наработки Т справедливо соотношение .
10.  Показать, что равенство , выполняется только тогда, когда случайная наработка имеет экспоненциальное распределение. Здесь  - остаточная наработка.
11.  Чему равна вероятность безотказной работы на интервале () при условии, что на интервале () отказа не произошло (), использовать выражение для функции распределения остаточной наработки).
12.  Экспоненциальное распределение. Средняя наработка на отказ, дисперсия, ?
13.  Распределение Вейбулла-Гнеденко. Средняя наработка на отказ, дисперсия, ?
14.  Нормальное распределение. Интеграл вероятности. Средняя наработка на отказ, дисперсия.
15.  Усеченное нормальное распределение. Функция распределения.
16.  Показать, что для усеченного нормального распределения справедливо:

     , где ,

, T₀ – средняя наработка на отказ.

1.  Показатели отказов восстанавливаемых систем. Первый способ описания потока отказов. Ведущая функция. Параметр потока отказов.
2.  Показать, что время между отказами в простейшем пуассоновском потоке подчиняется закону , где  - параметр потока отказов.
3.  Показатели отказов восстанавливаемых систем. Второй способ описания потока отказов. Поток восстановлений. Интегральное уравнение. Свертка функций  и .
4.  Показать, что для простейшего потока средняя наработка на отказ T₀ и параметр потока отказов  связаны между собой соотношением .
5.  Расчет надежности без учета восстановления. Структура, структурная схема, функциональная схема. Последовательная структура. Случай стохастических эквивалентных элементов.
6.  Структурно-избыточные системы. Виды структурного резерва. Понятие о других видах резерва.
7.  Параллельные структуры. Вероятность безотказной работы. Случай стохастически эквивалентных элементов. Средняя наработка на отказ (общий случай).
8.  Параллельные структуры. Средняя наработка на отказ. Случай экспоненциального распределения случайной наработки (для элементов системы).
9.  Параллельные структуры. Случай ненагруженного резерва.
10.  Резервирование с целой и дробной частью. Общий случай.
11.  Резервирование с голосованием по большинству. Показатели эффективности резервирования.
12.  Мажоритарное резервирование, случай n = 3. Определить показатель  и границы эффективного использования метода при разных значениях вероятности отказа.
13.  Системы со сложной структурой. Метод перебора состояний. Метод разложения относительно базового элемента.
14.  Системы со сложной структурой. Метод минимальных путей и сечений.
15.  Основы логико-вероятностного метода анализа надежности.
16.  Интегральные показатели надежности.
17.  Преобразование Лапласа и его основные свойства.
18.  Условия применимости вероятностных моделей надежности. Монотонные структуры.
19.  Восстанавливаемые системы (конечное время восстановления). Функции распределения случайной наработки и случайного времени восстановления. Потоки отказов и восстановлений. Функции распределения. Альтернирующий процесс. Регенерирующий процесс.
20.  Метод переходных вероятностей. Дерево изменений состояния системы.
21.  Метод переходных интенсивностей.
22.  Постоянное резервирование.
23.  Резервирование замещением. Поэлементное резервирование.
24.  Техническое обслуживание. Стратегии технического обслуживания.
25.  Параметры технического обслуживания. Определение параметров при неявных отказах.
26.  Надежность системы «человек – машина».
27.  Модели надежность программного обеспечения.
28.  Испытания на надежность. Виды испытаний, задачи испытаний, планирование испытаний.
29.  Оптимальные задачи эргономики. Эргономическая экспертиза. Тестирование, верификация.

Литература

А) Основная:

1. Лекции.

2. Толстов А.Г. Учебное пособие. Элементы надежности и технической диагностики. –М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005.

3. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления техническими процессами. -М.: Энергоиздат,1989.

4. Острейковский В.А. Теория надежности. -М.: Высшая школа, 2003.

5. Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем. –М.: Логос, 2003.

6. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. -М.:  Высшая школа, 1977.

7. Ершов М.С. Основы теории надежности. -М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1993.

8. Вентцель T.C., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. –М.: Высшая школа, 2000.

9. Липаев В.В. Надежность программных средств. -М.: Синтег, 1988.

10. Цосуду К.А. Надежность, контроль, и диагностика вычислительных машин и систем.

11. Степин Ю.П. Надежность АСОИ и У. Часть 1. -М.: РГУ нефти и газа, 2000.

12. Пальчуте Б.П., Юсупов Р.М. Оценка надежности программного обеспечения. -С. Петербург.: Наука, 1994.

В) Дополнительная:

1. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. - М.: Радио и связь, 1988.
2. Корнеева Т.К. Толковый словарь по метрологии, измерительной технике и управлению качеством. -М.: Русский язык, 1990.
3. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989.
4. Политехнический словарь. Акустика, вычислительная техника, диагностика, измерения и измерительная техника, неразрушающий контроль, метрология, управление качеством. Термины и определения. -М., 1999.
5. Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия,1980
6. Карташов В.А. Система систем. -М.: Прогресс-Академия, 1995.
7. Эйдерман В.Я. Основы теории функций комплексного переменного и операционного исчисления.
8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей, -М.: Высшая школа, 1998.
9. Новиков П.С. Элементы математической логики. –М.:  Физико-математическая литература, 1959.
10. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженеров. -М.: Энергия, 1980.
11. Катулев А.Н., Северцев Н.А. Исследование операций. Принципы принятия решений и обеспечения безопасности. - М.: Физико-математическая литература, 2000.