ГОСТ Р 27.013-2019 (МЭК 62308:2006). Национальный стандарт Российской Федерации. Надежность в технике. Методы оценки показателей безотказности
6 Введение в оценку безотказности
6.1 Предварительные замечания
Показатели безотказности объекта часто оценивают для решения ряда задач, включая следующие:
a) установление целей и требований;
b) сопоставление нескольких вариантов;
c) идентификация и определение приоритетности задач;
d) проверка актуальности цели;
e) оптимизация технической поддержки (например, обеспечение запчастями);
f) подготовка исходных данных для другого анализа (например, анализа безопасности);
g) ранжирование областей улучшения с наилучшим соотношением цена - результативность.
Показатель безотказности может быть задан различными способами, например в виде:
- накопленного процента отказов;
- установленной интенсивности отказов;
- вероятности безотказной работы;
- параметра потока отказов;
- мгновенной интенсивности отказов;
- MTTF;
- MTBF.
Процедура, установленная в настоящем стандарте, предназначена для специалистов в области анализа надежности, менеджмента риска, проектирования, обеспечения безопасности и безотказности, логистической поддержки и основана на методе оценки мгновенной интенсивности отказов на ранних этапах создания объекта. Процедура оценки ресурса для объектов с отказами, вызванными износом, также включена.
6.2 Описание метода оценки показателей безотказности
6.2.1 Общая информация
Вероятность безотказной работы является показателем, который не может быть оценен по данным единственного объекта. Это случайный или вероятностный показатель, поэтому его следует оценивать по информации о суммарной наработке (например, в часах, циклах работы и т.д.) и количеству наблюдаемых отказов. Результаты оценки представляют в форме доверительного утверждения, такого как "с уровнем доверия 80% истинная вероятность успешного выполнения задачи объектом составляет не менее X и не более Y" или в виде продолжительности безотказной работы с вероятностью от 0,963 до 0,995. Объяснение понятий "уровень доверия" и "доверительный интервал" приведено в ГОСТ Р 50779.27.
В соответствии с классическим определением вероятность безотказной работы - это вероятность того, что объект выполняет установленные функции в течение заданной наработки в заданных условиях <1>. Несмотря на то, что этот показатель является полезной мерой для объектов, изготавливаемых малой серией и ориентированных на выполнение определенной задачи, таких как космический корабль, этот показатель для указанных объектов редко подходит, его, как правило, применяют для объектов из большой совокупности, а не к функционированию единственной системы или выполнению единственной задачи. Установления единственной характеристики, такой как средняя наработка до отказа (MTTF), недостаточно для объекта, интенсивность отказов которого зависит от времени (т.е. является непостоянной).
--------------------------------
<1> Точное определение см. в ГОСТ 27.002.
6.2.2 Показатели безотказности при постоянной интенсивности отказов
Общее выражение вероятности безотказного выполнения функции для единичного объекта R(t) имеет следующий вид:
(1)
где 
- мгновенная интенсивность отказов.
Другое очень полезное (общее) выражение:
(2)
где f(t) - плотность распределения наработки до отказа. На основе (1) для мгновенной интенсивности отказов справедливо выражение:
(3)
Очень полезно еще одно общее выражение для MTTF:
(4)
Если является постоянной во времени, ее можно обозначить 
. В этом случае наработка до отказа подчиняется экспоненциальному распределению и, следовательно:
(5)
(6)
(7)
(8)
Соотношения (5) - (8) справедливы только в случае, когда является константой.
Другой полезной, но сложной величиной является полная накопленная наработка объекта, иногда обозначаемая T*. В случае постоянной интенсивности отказов со статистической точки зрения нет никаких различий между работой одного объекта в течение 1 000 000 ч или 1 000 000 объектов в течение 1 ч. Во всех случаях при появлении одного отказа точечная оценка интенсивности отказов для совокупности равна 10-6 отказов за час работы объекта.
Постоянная интенсивность отказов означает, что параметр не зависит от времени. У постоянной интенсивности отказов существует много полезных свойств, одно из которых состоит в том, что значение математического ожидания распределения наработки до отказа объекта равно 
. Для невосстанавливаемых объектов (компонентов) это значение представляет собой математическое ожидание наработки до отказа объекта MTTF. Это означает, что в среднем 63% объектов откажут за наработку от 0 до MTTF, а 37% - после MTTF. Другим полезным свойством постоянной интенсивности отказов является то, что она может быть оценена по совокупности как доля сокращения количества не отказавших объектов в единицу времени. Однако экспоненциальное распределение является единственным распределением, для которого интенсивность отказов - константа, а средняя наработка не равна 
, если интенсивность отказов непостоянна.
Для восстанавливаемых изделий под MTTF иногда ошибочно понимают ресурс объекта, а не величину, обратную к постоянной интенсивности отказов. Если у объекта MTTF = 1 000 000 ч, это не означает, что объект функционирует так долго (дольше средней человеческой жизни). Скорее это означает, что в среднем один из объектов отказывает каждые 1 000 000 часов работы, т.е. при работе 1 000 000 объектов в среднем каждый час отказывает один из них. В этом случае, если отказы объекта действительно подчиняются экспоненциальному распределению, то после 1 000 000 часов эксплуатации в среднем откажет 63% объектов. Объекты, отказы которых действительно подчиняются экспоненциальному распределению, за пределами их срока службы практически не встречаются, но постоянная интенсивность отказов и MTTF могут в некоторых случаях быть хорошим приближением для показателей, характеризующих свойства отказов объекта.
Таблица 1
Пример показателей в случае постоянной интенсивности отказов
Мера постоянной интенсивности отказов | Эквивалент среднего ресурса | Определение | Использование |
Постоянная интенсивность отказов при использовании времени | MTTF (средняя наработка до отказа) | Общее количество отказов, деленное на общую наработку всей совокупности | Стандартный показатель для прогноза, когда время является параметром |
Постоянная интенсивность отказов при использовании количества циклов или расстояния вместо времени | Математическое ожидание количества циклов или расстояния, км MCTF | Общее количество отказов, деленное на общее количество циклов работы объекта или расстояние, например, в километрах | Стандартный показатель для прогноза, когда использование количества циклов или расстояния является более подходящим, чем время. Эти единицы измерения иногда преобразовывают в единицы измерения времени с помощью параметров эксплуатации или требований к обязанностям персонала |
Постоянная интенсивность ремонта/восстановления | MTTR (среднее время ремонта/восстановления) | Общее количество ремонтов/восстановлений, деленное на общую наработку совокупности | Полезный показатель оценки ремонтной базы или очереди на выполнение ремонта |
Постоянная интенсивность замены | MTTR (средняя наработка до замены) | Общее количество замен, деленное на общую наработку совокупности | Используют вместо постоянной интенсивности отказов, когда анализ отказов недоступен; полезный показатель для анализа гарантийного ремонта |
Постоянная интенсивность обслуживания или обращений потребителей | MTTSC (среднее время до вызова сервисной службы) | Общее количество обращений клиентов в сервисную службу, деленное на общую наработку объектов совокупности в эксплуатации | Восприятие потребителем постоянной интенсивности отказов; показатель полезен для определения потребностей в техническом обеспечении |
Постоянная интенсивность гарантийных претензий | MTTWC (среднее время до гарантийной претензии) | Общее количество гарантийных претензий, деленное на гарантийную наработку объектов совокупности | Полезный показатель для оценки стоимости гарантийных услуг и установления запасов запчастей |
Постоянная интенсивность прерывания для сервисного обслуживания | MTTSI (среднее время до прерывания на сервисное обслуживание) | Общее количество прерываний, деленное на общую наработку объектов совокупности | Восприятие потребительское постоянной интенсивности отказов; может быть показателем готовности |
Существует несколько эквивалентных способов выражения постоянной интенсивности отказов (см. таблицу 1). Например, постоянная интенсивность отказов, равная 1% в год, эквивалентна 1,1·10-6 ч-1, 1100 FIT, 0,01 отказов на объект в год; 1,1 отказов за миллион часов, и 10 отказов на 1000 объектов в год (предполагая замену 9,95 отказов на 1000 незаменяемых объектов в год).
6.2.3 Восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты
Установления единственной величины MTTF недостаточно для объекта, у которого интенсивность отказов зависит от времени.
В настоящем стандарте рассмотрен анализ подобия для случаев постоянной и непостоянной интенсивности отказов. В ГОСТ Р 50779.27, ГОСТ Р 50779.28 и ГОСТ Р 27.607 приведены детали статистических методов в случае непостоянной интенсивности отказов, включая анализ Вейбулла.
Возможна ситуация, когда восстанавливаемые объекты, возвращаемые в эксплуатацию после отказа, восстановлены не до состояния нового объекта и таким образом параметр потока отказов является непостоянным. В ГОСТ Р 27.607 приведено руководство для непостоянной интенсивности отказов и непостоянного параметра потока отказов. Показатель MTTF должен быть использован в случае невосстанавливаемых объектов, а показатель MTBF должен быть использован в случае восстанавливаемых объектов.
Рекомендуется устанавливать вероятность отказа F(t) объекта вместо MTBF или MTTR; однако MTTF используют для невосстанавливаемых объектов, а MTBF - для восстанавливаемых объектов.
6.2.4 Методы оценки безотказности
Для оценки показателей безотказности обычно используют следующие методы:
- анализ подобия;
- анализ долговечности;
- методы определения оценок по справочным данным.
Основным достоинством оценки показателей безотказности является идентификация основных вкладов в отказ системы, а не точность абсолютного прогноза. Идентификация источников ненадежности помогает ранжировать приоритетность действий и позволяет выполнять модификации конструкции объекта на ранней стадии его создания. Это особенно важно, если компоненты, блоки и проектные решения использованы по результатам эксплуатации предыдущих моделей объекта. В этом случае метод позволяет определить оценку интенсивности отказов, когда улучшения не выполнены. Точность любого прогноза зависит от качества данных и их близости к рассматриваемой конструкции объекта, условиям и особенностям его использования.
Если новую технологию не рассматривают, оценка безотказности должна быть основана на соответствующих доступных данных эксплуатации. Данные могут быть получены из многих источников. В порядке предпочтения они следующие:
- то же самое или аналогичное оборудование, используемое в тех же самых или аналогичных условиях эксплуатации физической среды и технического обслуживания;
- данные, полученные в результате анализа физики процессов, приводящих к отказу, при наличии анализа условий окружающей среды, в которой объект будет использован;
- данные испытаний и эксплуатации компонент или блоков, полученные от поставщиков;
- данные производства объекта или общих источников данных. Такие данные следует использовать с большой осторожностью и с меньшим доверием при оценке безотказности до тех пор, пока они не будут заменены более доступными данными.
Существует много общих и промышленных источников данных, которые могут быть использованы при оценке безотказности.
В настоящем стандарте приведено много альтернативных методов оценки безотказности, которые позволяют получить данные об интенсивности отказов по информации об оборудовании или его частях. При выборе методологии для конкретного применения анализ и обоснование точности и ограничений применения должны быть документированы. Это обоснование должно включать факторы неопределенности и уверенности, соответствующие результатам применяемого метода оценки.
В настоящем стандарте не рассмотрены проблемы программного обеспечения, он только включает методы, применяемые для аппаратных средств. Однако стандарт может быть использован для аппаратных средств со встроенным программным обеспечением. Безотказность встроенного программного обеспечения и его взаимодействия с аппаратными средствами необходимо учитывать, поскольку она влияет на исходную информацию о безотказности объекта.
Подписаться на обновления