Приложение А (справочное). Примеры анализа подобия

Приложение А
(справочное)

Примеры
анализа подобия

Примечание - В данном приложении приведена информация, помогающая понять применение метода анализа подобия для оценки безотказности. Приведен пример применения метода анализа подобия.

А.1 Как использовать данное приложение

Выбор наиболее подходящего метода оценки безотказности для любого заданного применения зависит от типа объекта, целей в области безотказности и доступных данных. Кроме того, существует много способов выполнения анализа подобия. Должны быть выбраны наиболее подходящий метод и способ его выполнения и внедрения.

Данное приложение включает описание необходимых данных (см. А.2.2), пример применения метода (см. А.2.3), использование результатов и ограничения (см. А.2.4), улучшение процесса оценки безотказности (см. А.2.5).

Несмотря на то, что в приведенном примере вычисляют MTTF, метод также может быть использован для оценки показателей безотказности.

А.2 Пример анализа подобия

А.2.1 Общие положения

Ниже приведено два варианта анализа подобия. Эти два варианта представляют собой анализ подобия низкого и высокого уровней. Главное различие этих вариантов состоит в том, что для анализа подобия высокого уровня необходимо подобие на уровне системы. Чтобы показать универсальность метода анализа подобия, пример анализа подобия на высоком уровне выполнен на уровне заменяемых элементов, пример анализа подобия низкого уровня выполнен на уровне функции, хотя любой вариант метода может быть применен на любом уровне.

А.2.2 Данные

А.2.2.1 Данные о безотказности в эксплуатации

Сбор и анализ данных эксплуатации является основой методологии анализа подобия. Данные о безотказности объекта в эксплуатации, как правило, включают количество отказов в эксплуатации, информацию о причинах отказов или видах отказа и количество часов эксплуатации.

Первые два вида сведений могут быть получены из базы данных организации, поддерживающей информацию о деятельности по восстановлению объекта. База данных должна идентифицировать оборудование (готовое изделие или подсистему), ремонтируемые или заменяемые компоненты и описание эксплуатации для персонала по техническому обслуживанию объекта для идентификации типа отказа готового объекта. Отказы готового объекта в целом могут быть следствием отказов аппаратных средств, программного обеспечения, неверного использования потребителем, дефектов конструкции, ошибок производства и других причин. Эти данные используют для вычисления распределения отказов объекта или компонентов.

Данные о часах в эксплуатации, собранные потребителем, регистрируют или оценивают по типовым показателям использования. Такие отчеты поддерживают в соответствии с практикой организации. Эти данные, объединенные с информацией об отказах, описанной выше, используют для вычисления интенсивности отказов в эксплуатации и MTTF объектов или подсистем.

А.2.2.2 Данные о характеристиках объекта

Данные о характеристиках объекта получают на основе данных об эксплуатации готовых и разрабатываемых объектов. Данные включают всю документацию, относящуюся к объекту, а также информацию, определяющую процесс проектирования, производственный процесс и среду использования готового объекта. Примерами такой документации являются документы, устанавливающие требования к объекту, перечень электрических и механических составных частей и чертежи. Эти данные используют для идентификации характерных различий нового объекта и объекта-прототипа. Перечень возможных характерных различий приведен в таблице А.1.

А.2.3 Методы

Примечание - Этапы процесса, электронные таблицы и вычисления, используемые в примерах метода анализа подобия, описаны ниже. На рисунке А.1 показана общая блок-схема этого процесса.

А.2.3.1 Виды физических моделей

Анализ подобия использует виды физических моделей, описанные ниже для сопоставления новых объектов и объектов-прототипов или подсистем-прототипов.

Первые пять видов моделей, указанных ниже, являются типовыми на уровне компонент, количественно характеризуют отказы объекта в эксплуатации, вызванные отказами компонент. Следующие два вида моделей относятся к процессам проектирования и производства. Дополнительные виды моделей могут быть использованы для определенного оборудования, не относящегося к категориям части или процесса. В приведенном ниже примере отказы, связанные с производством компонент, категоризированы по производственным процессам (категория 6), неправильному использованию, а повышенные нагрузки компонент категоризированы по процессам проектирования (категория 7). Примерами физической модели являются следующие категории:

модели вида 1: модели для пассивных частей низкой сложности (резисторов, конденсаторов и редукторов);

модели вида 2: модели для пассивных частей высокой сложности (трансформаторов, кварцевых генераторов и пассивных фильтров);

модели вида 3: модели для соединений (разъемов, печатных плат, паяных соединений, гибких лент, паяных стыков);

модели вида 4: модели для полупроводников низкой сложности (дискретных, линейных и цифровых интегральных схем);

модели вида 5: модели для полупроводников высокой сложности [процессоров, программируемых вентильных матриц памяти и эксплуатации, проблемно-ориентированных интегральных схем (ASIC)];

модели вида 6: модели для производственного процесса;

модели вида 7: модели для процесса проектирования;

модели вида 8: модели для других причин отказа, определенных пользователем при описании процессов, приводящих к отказу, которые не вписываются в категории 1-7 или которые аналитик хочет выделить отдельно из-за высокой частоты их реализации.

Примеры - режимы отказа с ограниченным ресурсом, например, лампы или выключатели, некоторые виды аппаратных средств или модификации программного обеспечения, выполненные как корректирующие или предупреждающие действия.

А.2.3.2 Этапы процесса

А.2.3.2.1 Общие положения

На рисунке А.1 приведена блок-схема этапов процесса анализа подобия. Ниже приведено описание каждого этапа процесса со ссылками (в качестве примера) на таблицы А.2 и А.3.

a) Этап 1. Сопоставление нового оборудования с оборудованием, для которого существуют данные эксплуатации. Сопоставление может быть сделано на уровне объекта в целом или на уровне составных частей. Если сопоставление выполняют с несколькими объектами-прототипами или их составными частями, то оставшиеся этапы должны быть выполнены отдельно для каждого объекта-прототипа или составной части.

Выходом этапа является идентификация одного или нескольких объектов или составных частей, достаточно близких по аналогии к новому оборудованию или его составным частям, и имеющим, как предполагается, сопоставимые уровни безотказности. Достаточное подобие определяют на основе знаний аналитика об исследуемом оборудовании, теории надежности и его опыта работы с процессом. Опыт работы с процессом может показать, что если количество различий превышает установленное значение, то результаты оценки безотказности являются неприменимыми.

b) Блок принятия решений. Если между новым объектом и объектом-прототипом выявлена высокая степень подобия на уровне объекта в целом или на уровне составных частей, то должен быть выбран анализ подобия высокого уровня. В этом случае выполняют этапы 2Н-5Н (см. ниже). Оставшиеся этапы процесса и уравнения анализа подобия высокого уровня приведены в А.2.3.2.2.

Если выявлено недостаточное подобие для выполнения анализа подобия высокого уровня, может быть применен анализ подобия низкого уровня. Для выполнения анализа подобия низкого уровня выполняют этапы 2L-5L, если сопоставление на этапе 1 показало, что данные эксплуатации группы объектов-прототипов имеют достаточную аналогию с новым объектом. Для проведения анализа подобия низкого уровня высокий уровень подобия не требуется, но более высокие уровни подобия улучшают точность оценки и снижают ее изменчивость. Остальные этапы процесса и уравнения анализа подобия низкого уровня приведены в А.2.3.2.3.

А.2.3.2.2 Этапы процесса анализа подобия высокого уровня

Этап 2Н. Идентификация всех характерных различий нового объекта и объекта-прототипа в целом или его составных частей. Перечень описаний и примеров различий приведен в А.2.3.1. Каждое различие приведено в первом столбце таблицы А.2.

На содержание таблицы А.2 влияет количество используемых объектов-прототипов или, если анализ выполняют на заменяемых элементах прототипов составных частей объекта или функций. Если анализируют несколько объектов-прототипов, для каждого объекта-прототипа должна быть заполнена отдельная таблица. Если анализ выполняют на уровне составных частей или на уровне функций, то для каждого объекта-прототипа составной части должна быть заполнена отдельная таблица.

Этап 3Н. Оценивают каждое характерное различие, идентифицированное на этапе 2Н по отношению к ожидаемым различиям показателя безотказности нового объекта и объекта-прототипа. Это различие определяют количественно относительно отдельных видов физических моделей, определенных в А.2.3.1.

На данном этапе дают описание каждого вида моделей для каждого характерного различия, как показано в таблице А.2. Если не ожидается воздействий на конкретное характерное различие в данном виде моделей, то никакой вход не нужен ("1" означает "принято"). Входов, которые возможно улучшат безотказность, меньше одного, а входов, которые возможно ухудшат безотказность, больше одного.

Запись, соответствующая характерному различию в таблице А.2 в виде "комбинация А2 в ASIC", означает комбинацию нескольких отдельных компонентов в единственной ASIC.

Этап 4Н. Внесение данных об отказах в процессе эксплуатации объекта-прототипа или его составных частей в таблицу А.2. Данные об отказах в процессе эксплуатации, описанные в А.2.2.1, должны быть собраны в форме процентов для определения распределения вида отказа в соответствии с видом физической модели развития отказа и общей интенсивностью отказов.

Для оценки распределения вида отказа причины всех отказов в процессе эксплуатации объекта в целом или его составных частей должны быть отнесены к видам физических моделей. Количество отказов каждого вида делят на общее количество отказов объекта в целом для определения процентного вклада отказов каждого вида в общее количество отказов. Полученные проценты вводят в строку таблицы А.2 с наименованием "Распределение вида отказов объекта-прототипа". Общую интенсивность отказов для объекта в целом или его составных частей вводят в соответствующее место в нижней части таблицы А.2.

Этап 5Н. Определяют результаты в таблице А.2 для вычисления прогнозируемого показателя безотказности. Выполняемые вычисления включают следующее:

a) вычисление значения в строке "Влияние по физическим моделям" для каждого вида физических моделей в виде произведения значений по всем характерным различиям;

b) вычисление значения в строке "Интенсивность отказов по видам моделей" для каждого вида физических моделей в виде произведения "Влияние по физическим моделям" и "Распределение вида отказа объекта-прототипа";

c) вычисляют "Отношение интенсивностей отказов" как сумму всех значений в строке "Интенсивность отказов по видам моделей";

d) вычисляют "прогнозируемую интенсивность отказов" для нового объекта в целом или его составной части как произведение показателей "Интенсивность отказов объекта-прототипа" и "Отношение интенсивностей отказов".

В таблице, представляющей анализ подобия высокого уровня, выполнены расчеты в соответствии с (А.1):

,

(А.1)

где - интенсивность отказов в эксплуатации объекта-прототипа в целом или его составной части;

D_N - доля распределения вида отказа для вида моделей N;

F_N - коэффициент различий между исследуемым объектом и объектом-прототипом в целом или их составными частями для вида моделей N;

N - номер вида физической модели, который принимает значения от 1 до 7.

Уравнение (А.1) основано на предположении о том, что не существует дополнительных видов физических моделей, определенных пользователем. Если такие виды существуют, то максимальное значение N увеличивают на количество дополнительных видов моделей, определенных пользователем.

Несмотря на то, что в таблице не показаны интенсивности отказов отдельных видов моделей, они могут быть вычислены. Для этого нормализуют значение "Интенсивность отказов по видам моделей", считая общую сумму равной 1,0, и умножают значение нормализованной категории на показатель "Прогнозируемая интенсивность отказов".

А.2.3.2.3 Этапы анализа подобия низкого уровня

Этап 2L. После того, как групп(ы) объектов в эксплуатации отобраны, определяют интенсивность отказов по видам моделей. Интенсивности отказов по видам моделей могут быть применены непосредственно к новому объекту; однако могут быть случаи, когда интенсивность отказов должна быть умножена на соответствующий коэффициент, например, окружающая среда нового объекта отличается от среды объекта-прототипа. В таких случаях интенсивность отказов может быть умножена на соответствующий коэффициент с описанием коэффициента и его обозначением в отчете об оценке.

Выходом этого этапа являются интенсивности отказов по видам моделей с примененным коэффициентом. Эти значения вводят в таблицу А.3 в строку "Ожидаемые интенсивности отказов по видам моделей".

Если используют данные объекта-прототипа для новых функций объекта, то необходимо составить отдельную таблицу для каждого набора данных объекта-прототипа. Если используют несколько объектов-прототипов, то данные могут быть собраны в единственную таблицу или для каждого объекта-прототипа выполняют отдельный анализ с отдельными таблицами.

Этап 3L. Определяют количество компонентов для каждого из функциональных уровней, указанных в первом столбце таблицы А.3. Соответствующие компонентам значения указывают в соответствующем компоненту виде моделей и вносят в таблицу.

Этап 4L. Определяют перечень различий процессов проектирования и изготовления нового эксплуатируемого оборудования. В таблице А.1 показан перечень возможных различий, которые необходимо рассмотреть для процессов проектирования и производства.

Индивидуальные коэффициенты различий (множители) отдельно перемножают для определения комплексного коэффициента интенсивности отказов для интенсивности отказов при изготовлении и при проектировании. В таблице А.4 в качестве примера показаны выявленные коэффициенты, соответствующие процессам и продукции, которую они изготавливают.

Общие коэффициенты процессов вводят в ячейки в столбцах для вида моделей 6 (производственный процесс) и категорией вида моделей 7 (процесс проектирования) таблицы А.3.

В приведенном описании предполагается, что интенсивность отказов является постоянной (экспоненциальное распределение). Если интенсивность отказов не является постоянной, распределение наработок может быть описано распределением другого типа, например распределением Вейбулла. В этом случае интегральная функция распределения F(t) должна быть вычислена с учетом конкурирующих рисков. Другой метод состоит в использовании моделирования методом Монте-Карло (см. ГОСТ Р 27.607, ГОСТ Р 50779.27 и [3]).

Этап 5L. Выполняют вычисления с помощью таблицы А.3. Для расчетов используют выражения (А.2) и (А.3), приведенные ниже. При этом:

- вычисляют значения в строке "сумма по видам моделей" для 1-5, добавляя значения для каждого уровня, указанные в столбце 1;

- вычисляют значения в строке "общая интенсивность отказов по видам моделей" для:

- видов моделей 1-5, умножая значения в строке "сумма по видам моделей" на значения в строке "ожидаемая интенсивность отказов по видам моделей";

- видам моделей 6 и 7, умножая значения в строке "коэффициент процесса" на значения в строке "ожидаемая интенсивность отказов по видам моделей";

- вычисляют значения в строке "общей интенсивности отказов объекта", складывая все записи в строке "общая интенсивность отказов по видам моделей". Эту интенсивность отказов можно затем использовать для вычисления MTTF или других показателей безотказности.

Общая интенсивность отказов объекта:

.

(А.2)

Общая интенсивность отказов функции:

,

(А.3)

где Q_L,C - значение, соответствующее L-й функции и С-му виду моделей;

Р_Т - общее количество составных частей в объекте

;

L - один из уровней декомпозиций, указанных в первом столбце таблицы А.3;

С - один из видов физических моделей, указанных в таблице А.3;

n - количество функций при оценке;

- ожидаемые интенсивности отказов для С-го вида моделей;

F_M - коэффициент, соответствующий процессу изготовления;

F_D - коэффициент, соответствующий процессу проектирования;

- ожидаемая интенсивность отказов вида моделей 6 (процесса производства);

- математическое ожидание интенсивности отказов вида моделей 7 (процесса проектирования).

Приведенные выше математические выражения основаны на предположении о том, что не существует дополнительных видов физических моделей, определенных пользователем. Дополнительные виды моделей, определенные пользователем, рассматривают также как виды моделей компонентов (категории 1-5).

Интенсивность отказов функций, показанная в таблице А.3, не включает интенсивность отказов процессов (виды моделей 6 и 7). Хотя это не показано в таблице, может быть выполнено распределение интенсивности отказов процесса по функциям. Для этого существует два метода:

a) распределение на основе сложности объекта, т.е. в соответствии с количеством составных частей, каналов и общей интенсивностью отказов компонент;

b) распределение на основе априорных знаний о проблемах, с которыми сталкиваются в аналогичных объектах.

Методы распределения интенсивности отказов процессов могут быть различны для процессов производства и проектирования. Также может быть использована комбинация этих методов, т.е. распределение на основе количества составных частей, а затем на основе априорных знаний.

А.2.4 Область применения и ограничения метода

Результаты метода анализа подобия могут быть применены непосредственно к решениям о конструкции оборудования, бизнес-решениям, решениям о структуре системы и по оценке безопасности. Применение этих результатов в качестве входа при оценке безопасности зависит от целей анализа безопасности, а также от уровня, на котором выполняют оценку безотказности.

А.2.5 Улучшение процесса

После того, как для объекта получены данные эксплуатации объекта, их сопоставляют с результатами оценки надежности. Противоречия исследуют для внесения изменений в процесс. Эти изменения могут относиться к процессу сбора и анализа данных или непосредственно к процессу, установленному в плановой документации.

Таблица А.1 - Пример характерных различий

Физический объект	Процесс		Окружающая среда
Критические компоненты	Использование CAD		Наличие охлаждения
Ухудшение функционирования	Использование САМ		Неактивированные факторы
Отклонения и отказы	Управление документацией		Рабочий цикл
Долговечность	Обучение (подготовка) потребителя		Чувствительность ESD
Электрическое напряжение	Анализ напряжения и допустимых условий эксплуатации		Условия применения в эксплуатации
Средний ресурс	ESS, MASS		Условия восстановления и ремонта
Ложные срабатывания	Надзор за эксплуатацией		Условия использования
Локализация неисправности	FMEA
Функциональные изменения	FRACA/FRB
Режимы эксплуатации	Анализ дерева неисправностей
Новое программное обеспечение	Проверка заявленной надежности
Процент ранее использованных программных средств	Материалы
Потеря мощности	Качество материалов
Факторы безопасности	Устаревание составных частей
Плановое техническое обслуживание	Качество составных частей
Технологическая зрелость	Отбраковка составных частей
Точки проверки (испытаний)	Изготовление прототипа
Объем	Вторые поставщики
Вес	Моделирование
	Программное обеспечение
	SPC
	Временной анализ
	Анализ наихудшей ситуации
CAD - автоматизированное проектирование; САМ - автоматизированное производство; ESD - электростатический разряд; ESS - проверка нагрузки окружающей среды; HASS - отбраковка при воздействии существенно усиленной нагрузки;		FMEA - анализ видов и последствий отказов; FRACA - анализ видов, последствий и критичности отказов; FRB - комиссия по анализу отказов; SPC - статистическое управление процессами

Рисунок А.1 - Пример блок-схемы анализа подобия

Таблица А.2 - Пример таблицы анализа подобия высокого уровня ¹⁾

------------------------------

¹⁾_{В таблице рассмотрен абстрактный объект. Пример приведен для иллюстрации применения метода.}

------------------------------

Идентификация объекта: Модель YYY	Категории физических моделей								Идентификация объекта-прототипа: Модель ZZZ
Характерные различия (описание категорий)	Вид моделей 1	Вид моделей 2	Вид моделей 3	Вид моделей 4	Вид моделей 5	Вид моделей 6	Вид моделей 7	Вид моделей 8
									Примечания
1) Объединение двух PWB в один			0,9
2) Сокращение количества составных частей в А4	0,8			0,6
3) Применение А1 к монтажу поверхности						0,8
4) Выполнение RET на новом объекте							0,8
5) Объединение А2 в ASIC	0,89		0,98	0,85	1,2
6)
7)
8)
9)
10)
Влияние по физическим моделям	0,712	1	0,882	0,51	1,2	0,8	0,8	1
Распределение видов отказа объекта-прототипа	10,0 %	10,0 %	10,0 %	20,0 %	20,0 %	20,0 %	10,0 %	0,0 %
Интенсивность отказов по видам моделей	0,0712	0,1	0,0882	0,102	0,24	0,16	0,08	0
Отношение интенсивностей отказов	0,8414

Интенсивность отказов объекта-прототипа (миллион часов) = 50,77

Прогнозируемая интенсивность отказов (миллион часов) = 42,718

MTBF объекта-прототипа (ч) = 19697

Прогнозируемая MTBF (ч) = 23409

Таблица А.3 - Пример таблицы анализа подобия низкого уровня

Таблица А.4 - Пример таблицы коэффициентов различий процесса

Характерное различие		Воздействие интенсивности отказов изготовления
1	Монтаж поверхности в зависимости от сборки	0,8
2	Внедренная HASS	0,8
3	Значение на 25 % больше среднего	1,25
4
5
6
7
8
9
10
Итого		0,8
Характерное различие		Влияние интенсивности отказов проекта
1	Внедренная HALT	0,8
2	Пропущенный внутренний анализ проекта	1,125
3
4
5
6
7
8
9
10
Итого		0,9