Надежность, живучесть, техногенная безопасность, эффективность

Первые работы по проблемам оценки работоспособности технических средств и систем на этапе их эксплуатации появились в Институте в начале 50-х годов XX века, исследования по данной тематике продолжаются и поныне. По мере углубления теоретических основ этих работ расширялись области прикладных исследований – от отдельных элементов до сложных управляющих систем типа АСУ атомными электростанциями.

Первые исследования по проблеме надёжности были инициированы членом-корреспондентом АН СССР Борисом Степановичем Сотсковым. Полученные тогда результаты сводились к обобщению экспериментальных данных и разработке математических моделей анализа надёжности элементов автоматики. В 50-е годы основное внимание уделялось надёжности таких элементов, как реле (электрические контакты) и другая коммутирующая аппаратура. Результаты этих исследований описаны Б.С. Сотсковым в его книгах: “Основы расчёта и проектирования элементов автоматических и телемеханических устройств”, М.: “Госэнергоиздат”, 1953 и “Электрические контакты”, М.: “Госэнергоиздат”, 1956. В 60-е годы в руководимой Б.С. Сотсковым лаб. № 12 формулируется новое направление в исследовании проблемы надёжности – физические основы надёжности элементов автоматики, в рамках которого создаются модели анализа влияния физических факторов процесса эксплуатации на показатели параметрических и катастрофических отказов элементов. Значительный вклад в это направление внесли И.Е. Декабрун, Б.П. Петрухин, С.Е. Ростковская, Н.А. Шавыкин.

Впоследствии результаты теоретических исследований вошли в инженерную практику в качестве стандартов и типовых методик расчёта надёжности элементов, приборов и устройств, а также планов их испытаний. Эти методики с середины 60-х годов имели статус официальных документов в Минприборе и Минсудпроме. Последняя версия методики издана несколько лет назад (“Методика оценки безотказности технических средств”, М.: ИПУ, 1998).

Начало 60-х годов можно считать началом эпохи бурного развития автоматизации в стране, создания крупных автоматизированных комплексов в оборонной промышленности, химической, металлургической и других отраслях народного хозяйства.

Резко возросла цена отказов, особую актуальность приобрели методы прогнозирования и обеспечения надёжности систем на всех стадиях их жизненного цикла, особенно стадии проектирования. Наряду с ростом требований к достоверности оценок надёжности технических средств автоматизации возросли требования к достоверности оценок влияния выбора структуры и регламентов технического обслуживания на надёжность систем. В ряде лабораторий Института были развёрнуты теоретические и прикладные работы по исследованию проблем надёжности. Хорошим импульсом к развитию работ этого направления послужил доклад члена-корреспондента АН СССР Михаила Александровича Гаврилова на Первом Международном конгрессе ИФАК “Структурная избыточность и надёжность работы релейных устройств” (Труды ИФАК, Изд. АН СССР, 1961, т. 3). Ряд работ публикуют Г.А. Шастова, А.И. Коёкин, В.В. Наумченко, С.М. Доманицкий и другие сотрудники Института. Выходят книги А.Л. Райкина “Элементы теории надёжности для проектирования технических систем”, М.: “Сов. Радио”, 1967; С.М. Доманицкого “Построение надёжных логических устройств”, М.: “Энергия”,1971; Г.А. Шастовой и А.И. Коёкина “Выбор и оптимизация структуры информационных систем”, М.: “Энергия”, 1972.

Замечательная особенность этих работ – демонстрация предлагаемых методов на примерах реальных классов систем сложной структуры, в разработках которых авторы принимали непосредственное участие. Универсальное значение имели рекомендации по обеспечению отказоустойчивости систем посредством введения различных видов избыточности: структурной, временной, информационной. Одним из таких предложений оказалось исследование А.Л. Райкиным и А.С. Манделем нового класса методов введения избыточности – динамического резервирования аппаратуры. Впоследствии динамическое резервирование стало темой кандидатской диссертации А.С. Манделя. В это же время В.А. Лотоцкий, другой ученик А.Л. Райкина, впервые рассмотрел оригинальные постановки задач одновременного управления ЗИПом и планирования технического обслуживания.

В этот период проблема надёжности отечественной техники была поднята на государственный уровень. В центральных газетах публикуются статьи академиков В.А. Трапезникова, А.И. Берга, В.А. Котельникова. Вообще, 60–70-е годы отмечены массированным изданием литературы по теории и практике надёжности, и это при том, что в те времена требования к новизне материала и качеству его изложения были значительно выше, нежели в наши дни. Особо отметим основополагающие работы Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляева, А.Д. Соловьёва; А.М. Половко; И.А. Рябинина; Г.В. Дружинина; И.А. Ушакова.

В 70-е годы задача анализа надёжности становится неотъемлемым компонентом процесса проектирования: в число обязательных проектных документов при создании технических систем стали включать раздел “Проектный анализ надёжности”. Резко вырос уровень требований к точности расчётов, понадобились новые методы, которые более полно учитывали особенности структур систем и снижение их работоспособности при отказе отдельных компонент.

В период 70–80-х годов теория надёжности решительно шагнула в класс динамических моделей надёжности, позволяющих количественно учитывать влияние таких факторов, как развёрнутая во времени последовательность отказов элементов системы. Н.В. Лубковым был предложен новый метод количественной оценки надёжности с использованием класса динамических моделей. В качестве такого класса моделей использовались введённые Р. Ховардом  марковские процессы с доходами, соответственно и метод Лубкова получил название МПД-метода (см. “Автоматика и телемеханика”, № 8, 1972: Н.В. Лубков “О вычислении некоторых средних вероятностных характеристик систем управления”). Главные достоинства МПД-метода заключались в возможности анализировать системы сложной структуры с несколькими допустимыми уровнями работоспособности и получать разнообразные количественные оценки – от полного набора стандартизованных показателей надёжности до таких специальных показателей, как работоспособность системы, временнόе распределение состояний и значения отвечающих этим состояниям доходов и потерь. МПД-метод был принят Минприбором в качестве нормативного документа. В те же годы Н.В. Лубковым при участии В.И. Злобинского был разработан метод ускоренного статистического моделирования надёжности систем сложной структуры (см. “Логико-статистический метод надёжностного анализа сложных систем”, – Приборы и системы управления, № 4, 1976). Программный комплекс, реализующий этот метод, был зарегистрирован во Всесоюзном фонде алгоритмов и программ. Оба метода применяются для анализа систем в авиации, ядерной энергетике, химических и других производствах. 

Динамические модели надёжности открыли новый путь к решению важной проблемы оценки качества функционирования систем. Появилась возможность научно обоснованного разговора об эффективности системы, и в частности её экономической эффективности. Впервые была продемонстрирована возможность формирования показателей, которые органично связывали между собой динамические, надёжностные и ресурсные особенности систем, позволяя оценить их вклад в техническую и экономическую эффективность. В это же время удалось обосновать необходимость проведения анализа динамики показателей эффективности при выборе наиболее предпочтительного варианта проектируемой системы (см. Б.Г. Волик “Анализ влияния надёжности на экономическую эффективность АСУТП”, “Приборы и системы управления”, № 4, 1976) 

Совокупность методов анализа структур и выбора наилучшего варианта проектируемой системы была представлена в монографии Б.Г. Волика, Н.В. Лубкова, Б.Б. Буянова, В.И. Максимова, А.С. Степанянца “Методы анализа и синтеза структур управляющих систем”, М.: “Энергоатомиздат”, 1988. 

Естественным развитием работ по проблемам надёжности стала постановка в 80-е годы вопроса об исследовании свойства живучести систем. Живучесть определяется как способность системы сохранять допустимый уровень работоспособности при поражающих внешних воздействиях. Специфическая особенность анализа живучести заключается в необходимости формирования моделей развития поражающих факторов и утраты стойкости элементов системы по отношению к этим факторам. Новые результаты по этой проблеме были получены А.В. Антоновым. Им разработаны детерминированный и статистический методы формирования оценок показателей живучести. В 1988 г. понятие “живучесть” было впервые включено в терминологию автоматики (“Теория управления, терминология. Сборник рекомендуемых терминов”, выпуск 107, М.: “Наука”, 1988). Анализ живучести позволяет оценить пространственную (топологическую) структуру системы, то есть изучить влияние пространственного размещения элементов системы на её стойкость к поражающим факторам внешней среды. 

Значительный объём теоретических и прикладных исследований выполнен в Институте по обеспечению надёжности отдельных классов элементов и систем (интегральных схем, элементов пневмо- и гидроавтоматики, блоков логических устройств и др.). Для этого класса задач основное внимание уделялось разработке идеи обеспечения отказоустойчивости с помощью встроенных в структуру системы схем или блоков самодиагностики. В конце 60-х годов группа под руководством А.Ф. Волкова разработала вычислительный комплекс для важного оборонного объекта, в архитектуру которого было включено диагностическое ядро. С целью сокращения объёма тестовых программ был использован принцип диагностирующих подсистем переменной структуры. Результаты этой разработки изложены в книге А.Ф. Волкова, В.А. Ведешенкова, В.Д. Зенкина “Автоматический поиск неисправностей в ЦВМ”, М.: “Сов. Радио”, 1968. 

Работы по технической диагностике, начатые в Институте в конце 50-х годов под руководством П.П. Пархоменко (ныне члена-корреспондента РАН), стали новым направлением в теории обеспечения работоспособности систем. В 1981 г. вышла обобщающая монография П.П. Пархоменко и Е.С. Согомоняна “Основы технической диагностики”, М.: “Энергия”. Влиянию диагностики на отказоустойчивость систем посвящено немалое число работ сотрудников нашего Института. Достаточно полное представление о разработках этого направления можно получить по работе Е.С. Согомоняна и Е.В. Слабакова “Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы”, М.: “Радио и связь”, 1989. 

В 90-е годы были начаты работы по анализу и обеспечению техногенной безопасности систем (Б.Г. Волик “О концепциях техногенной безопасности”, АиТ, № 2, 1998; и Б.Г. Волик “Проблемы анализа техногенной безопасности”, АиТ, № 12, 1998).  

Заключая краткое изложение идей, теорий и методов анализа и обеспечения эксплуатационной работоспособности устройств и систем управления, отметим, что сегодня Институт проблем управления располагает полным комплексом научных методов и соответствующего программного обеспечения для проведения самых разнообразных исследовательских и проектных работ – начиная с обработки исходных экспериментальных данных о работоспособности элементов и кончая получением оценок надёжности, живучести и эффективности систем сложной структуры.