Определительные испытания

Классификация методов испытаний на надежность

1. В зависимости от целей испытаний их делят на оп­ределительные (исследовательские) и контрольные.

Цель определительных испытаний — нахождение фактических значений показателей надежности и при необходимости параметров законов распреде­ления таких случайных величин, как время безотказной работы, наработка между отказами, время восстановления и др.

Цель контрольных испытаний — проверка соответствия фактических зна­чений показателей надежности требованиям стандартов, технических заданий и технических условий, т. е. принятие решения типа «да — нет» о соответст­вии или несоответствии надежности системы предъявляемым требованиям (не говоря более конкретно о том, чему равно значение показателя надежно­сти).

2. В зависимости от длительности испытаний: обычные и ускоренные. Обычные испытания проводятся в нормальных условиях и режимах эксплуатации, а ускоренные – в ужесточенных (форсированных) условиях. Ускорение возможно, если при этом не искажается процесс естественного старения и износа, протекающий при нормальном ре­жиме, если распределения изменений выходного параметра испытываемого объекта при нормальном и форсированном режимах аналогичны, а также близко разделение отказов по их причинам. Ускоряющими факторами могут быть механические воздействия, температура, электрическая нагрузка и др. Ускоренные испытания обычно проводятся для серийных технических средств и их элементов, выпускаемых в течение длительного времени по стабильной технологии.

3. В зависимости от этапа жизненного цикла АС: испытания на этапе проектирования и опытного производства; этапе эксплуатации.

4. В зависимости от места проведения испытаний: в лабораторных (стендовых) условиях и условиях эксплуатации.

Испытаниям надежности в лабораторных усло­виях обычно подвергаются технические средства и некото­рые локальные системы. Эти испытания обычно выполняют на заводах-изготовителях или в организациях - разработчиках технических средств, они могут быть как определительными, так и контрольными. При лабораторных испытаниях можно имитировать воздействия внешней среды на систему, в первую очередь условия эксплуатации. Для этого служат специальные уста­новки: термокамеры для изменения температуры, барокамеры для изменения давления, вибростенды для создания вибраций и т. д. [1].

Испытания надежности в условиях эксплуатации заключаются в сборе и обработке информации о поведении АС и их элементов и о воздействии внешней среды при опытной и (или) промышленной эксплуатации АС совместно с действующим технологическим объектом управления. Эти испы­тания обычно являются определительными. Отметим, что для АС в це­лом, ряда функций и для некоторых технических средств, например импульс­ных линий с арматурой и первичными отборными устройствами, соедини­тельных линий с клеммными переходами, испытания в условиях эксплуата­ции являются практически единственным способом экспериментального оп­ределения показателей надежности.

Оба вида испытаний — эксплуатационные и лабораторные — дополняют друг друга. Так, преимуществами эксплуатационных испытаний на надеж­ность по сравнению с лабораторными являются:

- естественный учет влияния воздействий внешней среды, например температуры, вибрации, квалифика­ции оперативного и ремонтного персонала и др.;

- низкая стоимость испытаний, так как их проведение не требует ни дополнительных затрат на оборудо­вание, имитирующее условия эксплуатации, на обслуживание испытываемых изделий, ни расхода их ресурса;

- наличие большого числа однотипных образ­цов испытываемых локальных систем и средств, часто имеющихся на одном объекте, что позволяет в сравнительно короткие сроки получить статистиче­ски достоверную информацию.

Недостатками эксплуатационных испытаний по сравнению с лабораторными являются:

- невозможность проводить активный эксперимент, изменяя по желанию экспериментатора параметры внешней среды АС (вследствие чего эти испытания часто называют наблюдениями или подконтрольной эксплуатацией);

-ниже достоверность информации;

- меньше оперативность информации, так как начало ее получения может иметь место только после изготовления всех технических средств, монтажа и наладки АС.

5. В зависимости от используемого аппарата исследования: натурный эксперимент и моделирование.

Исходной информацией для статистического исследования, на основании которого должны быть сделаны выводы о показателях надежности, служат результаты наблюдений. Однако эти результаты могут быть разными для од­них и тех же систем в зависимости от того, каким образом они были получе­ны. Например, можно поставить на исследование одну восстанавливаемую систему и испытывать ее до получения п-гоотказа, регистрируя наработки между отказами. Результатами испытаний в этом случае будут наработки t₁,..., t_n. Можно поставить d таких же систем, но испытывать их не восстанав­ливая, пока не откажут п<d из них. В этом случае результатами наблюдений будут также наработки t₁,..., t_n, однако оценки для определения характеристи­ки случайной величины по результатам испытаний будут иметь другой вид.

Поэтому перед началом испытаний необходимо выработать правило, со­гласно которому следует проводить испытания. Выработку такого правила будем называть планированием испытаний. Планом испытаний называют правила, устанавли­вающие объем выборки, порядок проведения испытаний и критерии их пре­кращения. Выбор плана диктуется целями поставленных испытаний [7].

Поскольку проведение испытаний на надежность (особенно лабораторных) связано со значительными затратами средств, то планирование испытаний включает в себя определение объема выборки и критериев завершения испы­таний исходя из заданной точности и достоверности их результатов. Форми­руют выборку таким образом, чтобы результаты ее испытаний могли быть распространены на совокупность систем или средств. Например, при лабора­торных испытаниях на заводе-изготовителе образцы для испытаний выбира­ют из числа принятых отделом технического контроля и прошедших прира­ботку; для формирования выборки используют таблицу случайных чисел.

Испытания следует проводить для тех же условий эксплуатации, при кото­рых в технической документации установлены показатели надежности.

Во время испытаний проводятся техническое обслуживание, периодиче­ские проверки функционирования, измерение параметров, определяющих от­казы.

Определительным испытаниям могут подвергаться АС в целом, их подсистемы, функции, технические средства и любые другие элементы АСУ. Признаком определительных испытаний является то, что в результате их проведения определяются количественные значения показателей надежности испытанных объектов. Однако по методам проведения и способам обработки результатов, они могут быть различными.

Классификация определительных испытаний.Испытания классифицируются по следующим признакам [4]:

- по планам испытаний: ;

- по характеру получаемых оценок: точечные и интервальные;

- по исходным данным: прямые, косвенные, накопление информации;

- по методу получения результатов: экспериментально-статистические и расчетно-экспериментальные.

Планы испытаний.Наименование плана принято обозначать тремя символами (буквами или цифра­ми):

1)первый символ - буква N, которая обозначает число одновременно испытываемых систем;

2)второй символ — буква, которая обозначает условия проведения испытаний. А именно:

§ U – отказавшие во время испытаний объекты не восстанавливаются и не заменяются;

§ R – отказавшие во время испытаний объекты заменяются на идентичные работоспособные;

§ M - отказавшие во время испытаний объекты восстанавливаются.

3) третий символ обозначает условия прекращений испытаний.

Рассмотрим наиболее распространенные планы определительных испытаний.

План [NUТ] соответствует одновременному испытанию N систем. Эти сис­темы после отказа не восстанавливаются (или же восстанавливаются, но данные об их поведении после первого отказа в испытаниях не рассматрива­ются). Испытания прекращают по истечении наработки каждой отказавшей системы. На рис. 5.1, а знаком умножения обозначено наличие отказа; - наработка до отказа i-oй системы. Этот план обычно применяют для опреде­ления вероятности безотказной работы системы за время Т.

План [N U r] соответствует испытаниям N таких же невосстанавливаемых систем, однако в отличие от плана [N U Т ] испытания прекращают, когда чис­ло отказавших систем достигает r. В примере плана, данного на рис. 5.1, б, r-й отказ имеет место у i-oй системы. Если r=N, то переходим к плану [N U N], когда испытания прекращают после отказов всех систем.

План [N U r] обычно применяют для определения средней наработки на отказ и средней наработки до отказа в случае экспоненциального распределе­ния, а план [N U N] —в случае нормального распределения. Испытания по плану [N U N] требуют значительных времени и числа испытываемых систем, но дают возможность полностью определить эмпирическую функцию рас­пределения. Планы [N U r] и [N U Т] позволяют определить эмпирическую функцию распределения только для некоторого интервала времени, дают меньше информации, зато позволяют быстрее закончить испытания.

План [N R Т] описывает испытания N систем, причем отказавшие во вре­мя испытаний системы заменяют новыми. Испытания прекращают по истечении наработки Т каждой из N позиций (под позицией понимаем определенное место на стенде или объекте, применительно к кото­рому наработка исчисляется независимо от произошедших на данной пози­ции замен - рис. 5.1, в).

Последний из рассматриваемых планов [N R r] соответствует испытаниям N систем, когда отказавшие во время испытаний системы заменяют новыми. Испытания прекращают, когда суммарное по всем по­зициям число отказавших систем достигает r (рис. 5.1, г).

Рис. 5.1 Планы определительных испытаний

Таким образом, задачами планирования является определение минимального объема на­блюдений - выбор числа испытываемых систем N, а также продолжительно­сти наблюдений Т для планов [N U Т] и [N R Т] или числа отказов r для планов [N U r] и [N R r].

Результатами определительных испытаний являются точечные и интервальные оценки показателей надежности.

Точечные оценки.Понятие точечная оценка в математической статисти­ке вводится следующим образом. Пусть имеются результаты k наблюдений t₁, t₂ ,..., t_k над некоторой случайной величиной T (например, временем безот­казной работы) с функцией распределения F (t,), причем параметр этого распределения неизвестен. Необходимо найти такую функцию =g(t₁,..., t_k) результатов наблюдений t₁,..., t_k , которую можно было бы рассматривать как оценку параметра . При таком выборе функции каждой совокупности (t₁,..., t_k) будет соответствовать точка на числовой оси, которую называют точечной оценкой параметра [9].

Точечная оценка , являющаяся функцией результатов наблюдений, — так же случайная величина со своим собственным законом распределения, зависящим от закона распределения случайной величины T, объема наблюдений k и вида функции . Для одного и того же неизвестного параметра обычно можно принять несколько функций , которые могут служить в качестве оценки. Выбор требований к таким оценкам (состоятельности, несмещенно­сти, эффективности) и методов нахождения оценки (максимального правдоподобия, моментов, квантилей, графические) описан в книгах по теории веро­ятностей и математической статистике.

Статистические определения показателей надежности, рассмотренные ранее являются их точечными оценками. При этом оценка средней наработки до отказа

. (5.1)

соответствует плану [N U N], так как здесь рассматриваются завершенные (не прерванные в испытаниях) наработки до отказа каждой из испытываемых систем. Это соотношение имеет место при любых законах распределения наработки до отказа.

Для экспоненциального распределения при всех других рассмотренных в п. 5.2 планах испытаний, кроме плана [N U N], точечная оценка средней на­работки до отказа

,

где S — суммарная наработка всех систем за время испытаний;

- cуммарное число отказов всех систем за время испытания. Например, при плане [N U Т]

(5.2)

где l — число систем, отказавших в интервале (0,T); t_i — наработка до от­каза l-й системы из числа отказавших (i=1,l).

При плане испытаний [N U r]

(5.3)

Для плана [N R T] и простейшего потока, у которого время между отка­зами подчиняется экспоненциальному распределению, оценка средней наработки до отказа совпадает с оценкой средней наработки на отказ:

(5.4)

Оценка интенсивности отказов при экспоненциальном распределении может быть определена через оценку средней наработки до отказа:

.

Например, при плане [N U N]

Оценка параметра простейшего потока совпадает с оценкой интенсивности отказов. Например, при плане [N R T]:

(5. 5)

При нормальном распределении кроме оценки средней наработки до отказа часто требуется найти точечную оценку и второго параметра этого распределения , равного среднеквадратическому отклонению. Например, при плане [N U N]

(5.6)

Оценка среднего времени восстановления, определяемая аналогично (4.1), также соответствует плану [N U N]. Оценки вероятности отказа и вероятности безотказной работы до момента t₁, определяемые соотно­шениями (1.8) и (1.9), могут быть найдены за ограниченный интервал време­ни t₁=Т и соответствуют плану испытаний [N U Т].

Интервальные оценки.Точечные оценки дают представление о значе­нии показателя надежности, но ничего не говорят о точности этой оценки. Для рассмотрения точности оценки вводится понятие доверительного ин­тервала.

Как выше, примем, что имеются результаты k наблюдений t₁,...,t_k над случайной величиной Т с функцией распределения F(t,), где параметр неизвестен. Необходимо найти такую функцию результатов наблюдений, чтобы интервал (_н,∞) накрывал неизвестный параметр с заданной вероятностью :

. (5.7)

Величину _н называют нижней доверительной границей параметра при односторонней доверительной вероятности [9].

Для заданной вероятности по той же совокупности наблюдений может быть найдена функция такая, что интервал (0, _вр) накрывает параметр с вероятностью :

. (5.8)

Величину _вр называют верхней доверительной границей параметра при односторонней доверительной вероятности .

Нижняя и верхняя доверительные границы образуют доверительный ин­тервал, который с вероятностью накрывает на числовой оси неизвестное значение параметра . При >0,5 и >0,5 (доверительные вероятности и обычно выбираются не менее 0,8) согласно (4.7) и (4.8):

где

Обычно принимают, что , тогда .

Значение доверительного интервала тем меньше, чем больше число k на­блюдений (например, чем больше число отказов при испытаниях) и чем меньше значение доверительной вероятности.

Определение границ доверительного интервала заключается в следующем. Так как оценка неизвестного параметра является случайной величиной, то находим закон ее распределения. Затем определяем интервал , в который случайная величина попадает с вероятностью .