Отказ, Модель отказов

отказ — один из основных терминов теории надежности, означающий нарушение работоспособности объекта, при котором система или элемент перестает выполнять целиком или частично свои функции, иначе произойдет сбой в работе устройства, системы, органа.

одель отказов (англ. fault model) представляет собой инженерную модель конструкции или оборудования, которое может работать неправильно. Исходя из модели, разработчик или пользователь могут предсказать последствия конкретных отказов. Модели отказов могут быть использованы практически во всех видах инженерной деятельности.

Отказ - это событие или процесс, при котором объект, оборудование, система или их компонент перестают выполнять свою предписанную функцию. Понятие отказа является ключевым в инженерии, производстве, IT и многих других областях, так как отказы могут приводить к значительным последствиям, включая потери производительности, безопасности и экономические убытки.

Авария — разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выброс опасных веществ.

Инцидент — отказ или повреждение технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, отклонение от установленного режима технологического процесса.При инциденте в отличие от аварии происходит не разрушение, а только отказ или повреждение технических устройств.

Поломка – это событие или процесс, при котором какое-либо устройство, механизм, система или их компоненты перестают функционировать должным образом. Это может произойти по различным причинам, включая физические повреждения, износ, ошибки в программном обеспечении или внешние факторы, такие как перегрузка или воздействие окружающей среды.

Сущность отказа заключается в неспособности объекта выполнять свою функцию в соответствии с заданными требованиями и стандартами. Отказ может быть частичным или полным, временным или постоянным, случайным или предсказуемым.

Целостность и отказ конструкции — это аспект инженерии , который касается способности конструкции выдерживать проектную нагрузку (вес, силу и т. д.) без разрушения и включает в себя изучение прошлых отказов конструкции с целью предотвращения отказов в будущих конструкциях.

Структурная целостность — это способность элемента — структурного компонента или структуры, состоящей из многих компонентов — сохранять целостность под нагрузкой, включая собственный вес, не ломаясь и не деформируясь чрезмерно. Она гарантирует, что конструкция будет выполнять свою предназначенную функцию при разумном использовании в течение всего предполагаемого срока службы. Элементы изготавливаются с учетом структурной целостности, чтобы предотвратить катастрофический отказ , который может привести к травмам, серьезным повреждениям, смерти и/или денежным потерям.

Разрушение конструкции относится к потере структурной целостности или потере несущей способности конструкции либо в компоненте конструкции, либо в самой конструкции . Разрушение конструкции начинается, когда материал подвергается напряжению, превышающему предел прочности , что приводит к трещинам или чрезмерным деформациям ; одно предельное состояние , которое необходимо учитывать при проектировании конструкции, — это предельная прочность на разрыв. В хорошо спроектированной системе локализованное разрушение не должно вызывать немедленного или даже прогрессирующего обрушения всей конструкции.

Структурная целостность — это способность конструкции выдерживать предполагаемую нагрузку без разрушения из-за трещин, деформации или усталости. Это концепция, часто используемая в машиностроении для производства изделий, которые будут служить своим предназначенным целям и оставаться функциональными в течение желаемого срока службы .

Чтобы создать элемент с целостностью конструкции, инженер должен сначала учесть механические свойства материала, такие как ударная вязкость , прочность , вес, твердость и эластичность, а затем определить размер и форму, необходимые для того, чтобы материал выдерживал желаемую нагрузку в течение длительного срока службы. Поскольку элементы не могут ни ломаться, ни изгибаться чрезмерно, они должны быть одновременно жесткими и прочными. Очень жесткий материал может сопротивляться изгибу, но если он не достаточно жесткий, ему, возможно, придется быть очень большим, чтобы выдерживать нагрузку, не ломаясь. С другой стороны, высокоэластичный материал будет изгибаться под нагрузкой, даже если его высокая ударная вязкость предотвращает разрушение.

Более того, целостность каждого компонента должна соответствовать его индивидуальному применению в любой несущей конструкции. Опоры моста должны иметь высокий предел текучести , тогда как болты, которые их удерживают, должны иметь хорошую прочность на сдвиг и растяжение . Пружины должны иметь хорошую эластичность, а токарный инструмент должен обладать высокой жесткостью. Кроме того, вся конструкция должна быть способна выдерживать свою нагрузку без выхода из строя ее самых слабых звеньев, поскольку это может привести к увеличению нагрузки на другие элементы конструкции и к каскадным отказам .

Пирамида в Мейдуме была второй, построенной египтянами около 2600 г. до н. э. Она страдала от множества структурных дефектов, из-за чего она обрушилась во время строительства и оставила внутреннее ядро ​​стоять в куче щебня, что стало одним из самых ранних известных уроков крупномасштабного строительства.

Необходимость строить целостные сооружения восходит к временам письменной истории. Дома должны были выдерживать собственный вес, а также вес жителей. Замки должны были быть укреплены, чтобы выдерживать нападения захватчиков. Инструменты должны были быть достаточно прочными и жесткими, чтобы выполнять свою работу.

В древние времена не существовало математических формул для прогнозирования целостности конструкции. Строители, кузнецы, плотники и каменщики полагались на систему проб и ошибок (изучение прошлых неудач), опыт и ученичество, чтобы создавать безопасные и прочные конструкции. Исторически безопасность и долговечность обеспечивались за счет сверхкомпенсации, например, использования 20 тонн бетона, когда было бы достаточно 10 тонн. Галилей был одним из первых, кто принял во внимание прочность материалов в 1638 году в своем трактате «Диалоги двух новых наук» . Однако математические способы расчета таких свойств материалов начали развиваться только в 19 веке. ] Наука механики разрушения , как она существует сегодня, не была развита до 1920-х годов, когда Алан Арнольд Гриффит изучал хрупкое разрушение стекла.

Начиная с 1940-х годов печально известные провалы нескольких новых технологий сделали необходимым более научный метод анализа структурных отказов. Во время Второй мировой войны более 200 сварных стальных кораблей разломились пополам из-за хрупкого разрушения, вызванного напряжениями, создаваемыми в процессе сварки, изменениями температуры и концентрацией напряжений в прямых углах переборок. В 1950-х годах несколько самолетов De Havilland Comet взорвались в полете из-за концентрации напряжений в углах их квадратных окон, что привело к образованию трещин и взрыву герметичных кабин. Взрывы котлов , вызванные отказами в герметичных котловых баках, были еще одной распространенной проблемой в ту эпоху и наносили серьезный ущерб. Растущие размеры мостов и зданий привели к еще большим катастрофам и гибели людей. Эта потребность в строительстве конструкций с целостностью конструкции привела к большим достижениям в области материаловедения и механики разрушения.

Причины отказов:

• Механические: физическое повреждение компонентов. Механические отказы связаны с физическими повреждениями оборудования. Это могут быть трещины, деформации, износ деталей и другие механические дефекты. Например, трещина в корпусе двигателя или износ подшипников могут привести к полной остановке машины.

• Электрические: сбои в работе электрических цепей. Электрические отказы связаны с нарушением работы электрических схем и компонентов. Это могут быть короткие замыкания, перегрев проводов, сбои в работе электроники и т.д. Например, перегоревший предохранитель или неисправный трансформатор могут вызвать перебои в подаче электроэнергии.

• Тепловые: перегрев и повреждение материалов. Тепловые отказы возникают из-за перегрева компонентов. Это может быть вызвано недостаточным охлаждением, тепловым разрушением материалов или перегрузкой. Например, перегретый процессор в компьютере может привести к его отключению или поломке.

• Коррозионные: разрушение материалов под воздействием химических реакций.Коррозионные отказы вызваны химическими реакциями, которые разрушают материалы. Это особенно актуально для металлических конструкций и трубопроводов, которые могут коррозировать под воздействием влаги и химических веществ.

• Программные: ошибки или баги в программном обеспечении. Программные отказы возникают из-за ошибок в программном обеспечении. Это могут быть баги, неверные алгоритмы или сбои в работе программ. Например, сбой в операционной системе может привести к потере данных или невозможности выполнения определенных задач.

Базовые модели отказов цифровых схем включают:

• модель константного отказа. Информационная линия или выходной вентиль принимают постоянное значение 0 или 1, вне зависимости от состояний входов схемы.
• модель отказа короткого замыкания (также «монтажное И/ИЛИ»). Во время отказа две информационные линии соединяются друг с другом, но при безотказной работе такого происходить не должно.
• модель отказов транзистора. Эта модель используется для описания отказов вентилей КМОП-логики.
• модель открытого отказа. В этом случае предполагается, что цепь разорвана. Соответственно одна или более входная информационная линия отключена от зависящих от них выходных линий. Также, как и у отказов короткого замыкания, поведение зависит от реализации электронной схемы.
• модель отказов задержки. Сигнал принимает корректное значение, но это происходит намного медленнее и с опозданием (или, наоборот, быстрее, но такое случается редко), чем предполагается.

Эволюционно изначально исследования рассматривали модель константного отказа, и использовались только методы для определения факта отказа . Такие подходы считаются классическими. Данная модель является одной из наиболее часто используемых на практике. Имеется два типа отказов — постоянного 0 и постоянной 1. Такие отказы обозначаются как SA0 и SA1 соответственно (англ. stuck-at).

У данной модели следующие допущения :

• Отказ влияет только на входные и выходные значения вентилей схемы.
• Только одна из линий оказывается подверженной отказу.
• Отказ может проявляться в установке только 0 или только 1.
• Отказ проявляется только либо на входном вентиле линии, либо только на выходном.
• Отказ не влияет на функциональность оставшейся схемы.

Благодаря своей простоте, модель данного отказа позволяет эффективно выполнять обнаружение отказов, и по этой причине является одной из наиболее используемых в индустрии. У модели следующие преимущества :

• Модель покрывает значительное количество дефектов производителя.
• Разработка алгоритмов по автоматическому определению факта наличия отказов проста и эффективна. Это верно также для генерации различных паттернов для обнаружения отказов.
• Количество тестов может быть значительно уменьшено за счет сокращения списка отказов.
• Некоторые другие модели отказов могут быть преобразованы в множество тестов модели константных отказов.

В настоящее время известно, что использование только модели константных отказов не может быть адекватно преобразовано для модели отказов короткого замыкания .

В зависимости от используемой логики схемы, результатом отказа является «монтажное И» или «монтажное ИЛИ», то есть, обе информационные линии находятся в состоянии результата выполнения логической функции 'И' или 'ИЛИ'. Таким образом, при рассмотрении n выходов может присутствовать O(n2) вариантов потенциальных отказов короткого замыкания. Обычно их количество ограничивается исходя из заданной физической конструкции, и рассматриваются только прилегающие друг к другу информационные линии.

Короткое замыкание между элементами схемы является одним из основных дефектов производителей электронных схем .

Различают отказы короткого замыкания с обратной связью и без (англ. feedback и non-feedback). Последние не имеют эффектов памяти и их большинство может быть определено с помощью модели константного отказа. Первые же могут обладать эффектом памяти и соответственно, не подчиняются комбинаторной логике .

Модель предполагает, что распространение сигнала происходит медленнее, чем задано из целевых соображений. Такие модели покрывают ряд свойств физических материалов, включая изменение температур, воздействия энергетического шума, перекрестных помех, изменение нагрузки и т. д.

Модель отказов строится на некоторых допущениях. Обычно рассматриваются следующие предположения, нарушения которых приводят к неработоспособности модели отказов:

• допущение единственного отказа: может произойти только один отказ в схеме. Если мы определяем k возможных типов отказов в нашей модели для n линий, то при таком допущении общее количество отказов k×n.
• допущение множества отказов: в этом случае множество отказов может произойти в схеме.

Имеется два основных способа для уменьшения множества отказов в множество меньшего размера. Такое сокращение позволяет осуществить проверку всего исходного множества отказов с меньшим количеством тестов.

Пример сокращения списка отказов на основе эквивалентности

Возможна ситуация, когда два или более отказов имеют одно и то же поведение, отражающееся на выходных линиях. Такие отказы называются эквивалентными. Каждый одиночный эквивалентный отказ может быть представлен как целое множество. В таком случае для проверки наличия отказа необходимо провести намного меньше тестов, чем k×n, для обнаружения факта отказа. Удаление эквивалентных отказов таким способом называется сокращением списка отказов на основе эквивалентности.

В качестве примера на диаграмме красные отказы являются эквивалентными, и они могут быть сокращены. В такой схеме соотношение сокращения списка составляет 12 к 20.

Пример доминирущего отказа

Отказ F называется доминирующим над отказом F' в случае, если все тесты F' обнаруживают отказ F. В этом случае F может быть удален из списка проверки. Если F доминирует над F', а F' доминирует над F, то такие два отказа эквивалентны.

В примере показан вентиль NAND, и множество всех выходных значений, тестирующие SA0, {00,01,10}. Множество входных значений может быть проверено с элемента 01 для определения SA1. В таком случае выходной SA0 является доминирующим и может быть удален из списка.

Два отказа функционально эквивалентны в случае, если они приводят систему к одинаковым функциям. В этом случае можно сказать, что отказы функционально эквивалентны и мы не можем отличить по значениям на выходе при заданном тестовом векторе входных значений.

Здесь рассматриваются три основные категории :

• мониторинг: измерение всевозможных параметров и передача их оператору или автоматической системе вне зависимости от их опасности;
• автоматическая защита: в случае опасного состояния система сама предпринимает меры по противодействию;
• диагностика с помощью супервизора: анализ изменения состояния системы для выявления симптомов, ведущих к более опасным отказам в будущем; задачей является ранняя диагностика для того, чтобы увеличить время для противодействия или дать возможность более раннего исправления ситуации.