---

Группа 4Оиб9
Дата: 09.09.2026 г.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
Дисциплина (модуль) МДК.03.02 Инженерно - техническая защита информации.
Занятие № 5.
Тема занятия: Повышение надёжности систем. Теория надёжности.
Цель занятия: Изучить возможность оценивать различные системы на предмет их надёжности, степени доверия.
Результаты освоения дисциплины (профессионального модуля) (в соответствии с ФГОС СПО): ОК; ПК
ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.
ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.
ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.
ПК 2.2. Программировать в соответствии с требованиями технического задания
Уметь: 	
	использовать языки программирования, строить логически правильные и эффективные программы.
Знать: 
	общие принципы построения алгоритмов, основные алгоритмические конструкции; 
	понятие системы программирования; 

Теоретическая часть:
Теория надежности
Теория надежности - научная дисциплина, изучающая общие закономерности, которых следует придерживаться при проектировании, испытаниях, изготовлении, приемке и эксплуатации, систем для получения максимальной эффективности их использования. В свою очередь эксплуатацию системы составляет совокупность различных фаз существования ее, начиная с транспортировки, хранения и кончая подготовкой к использованию по назначению, собственно использованием, а также техническим обслуживанием и ремонтами. Наконец, эффективность использования есть мера выполнения системой определенных функций при определенных условиях окружающей среды. Таким образом, теория надежности охватывает весьма широкий круг вопросов, связанных с решением большинства технических задач, от их постановки, т.е. разработки условий и требовании, предъявляемых к проектируемым системам, до построения этих систем, организации их эксплуатационного обслуживания.
Теория надежности есть наука, изучающая закономерности возникновения отказов технических устройств.
Отказы относятся к малоизученным явлениям. Это объясняется, прежде всего, тем, что время возникновения отказа зависит от большого числа случайных факторов, его трудно исследовать и ещё труднее измерить.
Время возникновения отказа или время работы системы между отказами представляют собой явления случайные. Наблюдая за внешними проявлениями отказов, можно видеть, что они приводят к различным последствиям — полное прекращение работы системы, ухудшение ее характеристик, временное прекращение работы с последующим восстановлением (сбой) и т.п. Эти состояния системы аналогичны смерти, болезни или временной потере работоспособности живого организма.
Случайность времени отказов связана со случайными изменениями: условий эксплуатации (нестабильность питающего напряжения; вариации климатических условий; различие в квалификации обслуживающего персонала), технологического процесса (различные качества материалов усталость обслуживающего персонала), условий транспортировки и т. п. Отказавшая система обычно восстанавливается, так как ее отказы могут возникнуть из-за отказов элементов различного типа, расположенных в различных местах сложной системы, время восстановления также является случайной величиной.
При изучении закономерностей отказов наибольший интерес представляет изучение места возникновения отказов и в особенности промежутков времени восстановления и работы системы между отказами.
Следует при этом иметь в виду, что теория надежности является самостоятельной наукой, а не отдельным разделам теории вероятностей. Она является технической, а не математической дисциплиной, а круг решаемых ею задач не ограничивается задачами теории вероятностей.
Теория надежности возникла из потребностей практики в связи с бурным техническим прогрессом и в первую очередь в связи с появлением сложных автоматических систем с большим числом элементов электроники и автоматики.
Теория надежности изучает:
-	критерии и количественные характеристики надежности;
-	методы анализа надежности;
-	методы повышения надежности;
-	методы синтеза сложных систем по критериям надежности;
-	методы испытания системы на надежность;
-	научные методы эксплуатации системы с учетом ее надежности.
С точки зрения теории надежности, все современные автоматизированные системы управления можно разделить на два класса: системы малого масштаба и системы большого масштаба.
Системы малого масштаба предназначены для управления локальными объектами и процессами. Они обычно обладают малым количеством подсистем и простыми связями между ними.
Системы большого масштаба образуются из блоков подсистем и локальных объектов, управление которыми осуществляется с помощью иерархической структуры. В системы большого масштаба могут быть объединены территориально - разобщенные объекты. В системах управления возможна работа человека-оператора.
Исходные данные, которыми располагает проектировщик системы управления, весьма ограничены. Обычно это результаты кратковременных испытания новых узлов в лабораторных условиях, а также статистические данные о надежности подобных устройств в условии эксплуатации (рис. 1), которые часто отличаются от тех, для которых предназначается разрабатываемая система.
 
Рис.1 Общая схема эксплуатации системы

Несмотря на это, расчеты надежности следует начинать на самых ранних этапах разработки новых систем и средств автоматизации, начиная с этапа планирования и разработки технического задания. Это значительно уменьшает стоимость новых систем и средств автоматизации. Таким образом, исследования по теории надежности должны быть подчинены одной цели - разработке действенных методов повышения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Надёжность
Под надежностью и безопасностью автоматизированной системы управления понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования, выражающийся в хищении или изменении информации (программная надежность), а также в нарушении ее работоспособности из-за отказов (аппаратная надежность).
Аппаратная надежность технических средств автоматизированных систем управления определяется свойствами, включающими в себя понятия безотказность, работоспособность, долговечность и сохраняемость.
Под программной надежностью и безопасностью автоматизированной системы управления понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования, выражающийся в хищении или изменении информации
Экономическая эффективность автоматизированной системы управления определяется уровнем ее аппаратной и программной надежности.
Снижение надежности приводит как вынужденным простоям, так и к аварийным ситуациям. Повышение надежности увеличивает стоимость системы и затраты на ее эксплуатацию.
Экономически целесообразный уровень надежности выбирается сравнением схожих по структуре и функциям вариантов (критерий оптимизации надежности).
Под автоматизированными системами управления (АСУ) понимается определенное количество компьютеров, промышленных контроллеров, устройств числового программного управления станками и промышленными роботами, устройств управления транспортными средствами и другими технологическими установками, объединенных локальными вычислительными сетями и обеспечивающих сбор, обработку, хранение и передачу управляющей информации.
Под надежностью и безопасностью АСУ понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования, выражающийся в хищении или изменении информации, а также в нарушении ее работоспособности.
Случайные вмешательства:
-	аварийные ситуации из-за стихийных бедствий или отключения электрического питания;
-	отказы или сбои в работе электрических схем;
-	ошибки в программировании;
-	ошибки в работе обслуживающего персонала.
Преднамеренные вмешательства - это целенаправленные действия нарушителей.
Хищения связаны с разглашением конфиденциальной или секретной информации.
Изменение информации обусловлено ее искажением или уничтожением.
Нарушение работоспособности зависит либо от снижения производительности или функциональных возможностей, либо от блокировки доступа к некоторым информационным ресурсам АСУ.
Надежность технических средств системы определяется свойствами, включающими в себя понятия безотказность, работоспособность, долговечность и сохраняемость.
Безотказность - свойство системы сохранять свою работоспособность без вынужденных перерывов в течение некоторого периода времени, оцениваемого наработкой (длительность и объем выполненной работы до первого отказа).
Под работоспособностью понимается такое состояние системы, при котором она нормально выполняет заданные функции с заданными технической документацией параметрами.
Приспособленность системы к предупреждению, обнаружению и ликвидации отказов называется ремонтопригодностью.
Долговечность - свойство системы к длительной эксплуатации при необходимом техническом обслуживании и ремонте.
Долговечность системы измеряется ее ресурсом (наработка до предельного состояния) и сроком службы (календарная продолжительность эксплуатации до предельного состояния).
Предельное состояние системы определяется невозможностью ее дальнейшей эксплуатации по ряду причин:
-	произошел отказ, после которого восстановление невозможно или нецелесообразно;
-	по соображениям безопасности;
-	из-за низкой экономической эффективности дальнейшего использования.
Под ремонтопригодностью понимается приспособленность системы к предупреждению, обнаружению и ликвидации отказов.
Ремонтопригодность характеризуется затратами времени и средств на восстановление системы после отказа и на поддержание системы в работоспособном состоянии.
Автоматизированные системы (АС) могут быть ремонтируемыми и неремонтируемыми.
Ремонтируемые системы имеют срок службы (ресурс), определяемый снижением эффективности работы системы и целесообразностью ее дальнейшей эксплуатации.
Неремонтируемыми являются системы, ремонт которых не возможен или не предусмотрен нормативно-технической, ремонтной или проектной документацией.
Под сохраняемостью понимается свойство системы (и составляющих ее элементов) сохранять свои параметры неизменными при определенных условиях (колебаниях температуры, действии влажности, вибрациях и т.п.) и сроках хранения и транспортировки.

Проблема надежности
Прогресс современной техники, расширение круга задач, возложенных на системы управления, высокие требования к точности, помехозащищенности, быстродействию привели к усложнению систем, предназначенных для выполнения комплекса задач. Но усложнение системы резко снижает надежность современного управления.
Ненадежность не только резко снижает - эффективность использования системы, но и приводит к огромным экономическим потерям, неоправданному повышению стоимости и эксплуатации. Усложнение аппаратуры резко снижает надежность современного радиоэлектронного оборудования. Низкая надежность приводит к тому, что стоимость эксплуатации такого оборудования в течение одного года превышает в несколько раз стоимость самого оборудования, что приводит к огромным экономическим потерям и резко снижает эффективность использования системы.
Возникновение проблем надежности обусловлено, главным образом, следующими причинами:
	  повышением ответственности функций, выполняемых аппаратурой - так называемой ценой отказа; 
	  ростом сложности аппаратуры; 
	  отставанием качества элементов от их количественного применения.
Рассмотрим одну из основных проблем надежности, связанную с усложнением технических объектов. Тенденция функционального - структурного усложнения технических объектов (переходом к качественно новым методам, обеспечивающим повышение производительности, быстродействие, точность и улучшающие другие свойства). Объективной «платой» за качественное совершенствование является возрастание структурной сложности. Практика проектирования показывает, что темпы роста сложности технических систем находятся в противоречии с требованиями по их безотказной работе даже в случае применения современной элементной базы. 
Дело не только в увеличении количества компонентов, сложность систем повышается за счет развития многофункциональности и объединения традиционных методов и техники с методами и техникой вычислительных комплексов, на которые возлагаются функции обработки и анализа данных для принятия решений по изменению режимов работы системы в целом. Решение задач эффективного управления качеством систем возможно на основе методом теории надежности.
Вторая проблема связана с необходимостью предварительного учета влияния на систему при ее эксплуатации различных факторов объективного характера, параметры которых могут меняться в значительных диапазонах. Возникает задача изучения, нормирования и выработки рекомендаций по нейтрализации их воздействий.
Третья проблема связана с ростом количества элементов используемых в системе. Этот рост требует повышения их качества. Исследования в этом направлении дали следующий результат - увеличение надежности элементов резко отстает от роста сложности системы.
Четвертая проблема - ответственность функций, выполняемых системой. В связи с комплексной автоматизацией производственных процессов на управляющие устройства возлагаются исключительно ответственные задачи, которые должны решаться безотказно в течение всего периода работы системы.
Выполнение системой своих функций в значительной мере зависит от полного или частичного исключения из процесса управления человека- оператора. Исключение оператора вызвано либо скоротечностью процессов, связанных с работой системы, либо ограниченностью физических возможностей человека участвовать в протекающих процессах (например, агрессивная среда в химических процессах).
Трудность обеспечения высокой надежности современной системы вызвана также сложностью условий, в которых она эксплуатируется.
Вопросы надежности системы являются важной экономической проблемой. Эксплуатация сложного и ненадежного оборудования требует больших материальных затрат на содержание высококвалифицированного обслуживающего персонала, на профилактические осмотры и ремонт.
Очевидно, что чем сложнее система, тем труднее обеспечить эксплуатационное обслуживание, тем больше система подвержена расстройке и разрегулировке, тем вероятнее ее выход из строя.

Повышение надёжности
Большое влияние на надёжность элементов и систем оказывают конструктивно-производственные факторы и мероприятия, действующие на стадиях проектирования и изготовления системы.
На стадии проектирования повышение надёжности обеспечивается:
	выбором схемы;
	выбором элементов и режимов их работы;
	учётом психофизических возможностей операторов;
	удобством технического обслуживания и восстановления;
	учётом недостатков проектирования, выявленных при испытаниях.
Процесс проектирования предопределяет величину надёжности системы. Однако реализация этой величины в значительной степени связана с организацией производства.
Мероприятия, связанные с обеспечением надёжности в процессе производства, можно свести в следующие группы:
	строгое соблюдение и совершенствование технологии производства;
	автоматизация производства;
	тренировка элементов и систем;
	настройка и налаживание систем;
	текущий выходной контроль.
Рассмотрим основные способы повышения надёжности.
1) Наиболее рациональными способами повышения надёжности на стадии проектирования является резервирование и использование систем встроенного автоматического контроля, предназначенных для сокращения времени устранения неисправностей и прогнозирования отказов, а также для автоматического включения резервных элементов. Однако при выборе схем всегда следует учитывать, что резервирование и применение систем автоматического контроля сопряжено с увеличением веса, габаритов, объёма и стоимости системы.
2) Выбор наиболее надёжных элементов. Выбор того или иного элемента должен быть связан с анализом технических требований к надёжности. Может оказаться, что предъявляемые требования таковы, что при данном числе элементов и при данных условиях работы системы удовлетворить их можно, выбирая не самые надёжные элементы.
3) Облегчение режимов работы элементов. Улучшить условия работы элементов можно, во-первых, уменьшая вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий и, во-вторых, облегчая электрические режимы работы. Уменьшить вредное влияние окружающей среды и вредных воздействий можно, создавая искусственный климат и демпфируя систему. Облегчить электрические режимы работы элементов можно понижением коэффициентов нагрузки и уменьшением температуры окружающей среды.
4) Создание систем с ограниченными последствиями отказов элементов. Отказы элементов сложной системы не равноценны. Одни отказы приводят к потере работоспособности, другие лишь ухудшают характеристики системы, третьи нарушают контроль человека за работой системы и т.д.
5) Стандартизация и унификация элементов. Унифицированные и стандартизированные системы всегда более надёжны. Это объясняется тем, что такие системы, как правило, доведены до совершенства на основании богатого опыта эксплуатации.
6) «Тренировка» и отбраковка элементов с внутренними дефектами. «Тренировкой» элементов достигается сокращение этапа приработки, характеризующегося повышением интенсивностью отказов. Элементы с внутренними дефекатами часто отбраковывают при тяжелых условиях работы. Время и режимы «тренировки» должны выбираться таким образом, чтобы полностью удалить слабые элементы и вместе с тем не ухудшать качества нормальных элементов.
7) Организация текущего и выходного контроля. Текущий контроль обычно производиться на различных стадиях сборки и наладки системы. Качество этого контроля оказывает существенное влияние надёжность системы. Методика текущего (промежуточного) контроля разрабатывается применительно к конкретным образцам системы. Обычно предусматриваются контрольные операции после окончания монтажа, после настройки и налаживания отдельных узлов системы.
8)	Выходной контроль элементов, поступающих со смежных предприятий. При их производстве могут быть допущены отклонения от заданной технологии производства, а, следовательно, отклонения характеристик от номинальных значений.
9)	Правильный выбор изоляционных материалов. Они должны выдерживать механические и электрические нагрузки во всех диапазонах эксплуатационных условий. При выборе материалов необходимо учитывать как конструктивные, так и производственно-экономические факторы. Используемые материалы должны иметь такую скорость старения, при которой будет обеспечен необходимый технический ресурс системы и необходимый срок её хранения.
10)	Удобство технического обслуживания и восстановления. 
Важным эксплуатационным требованием к системе является удобство технического обслуживания и восстановления. Поэтому при конструировании должны предусматриваться:
	встроенные датчики, позволяющие проверить параметры системы;
	комплекс удобной, лёгкой и достаточно точной измерительной аппаратуры;
	лёгкий и свободный доступ к элементам системы, исключающий повреждение других элементов при замене отказавших;
	простота операций при настройке и регулировке системы.
11) Испытания опытных образцов. Целью испытания опытных образцов является слабых с точки зрения надёжности элементов системы, недостаточная надёжность которых обусловлена ошибками проектирования.

Отказ
Отказ - это событие, после появления которого, выходные характеристики системы выходят за допустимые пределы. Отказ - частичная или полная утрата свойств, которая существенным образом снижает или приводит к полной потере работоспособности системы. В то же время механизмом отказа - является совокупность физических и (или) химических процессов, приводящих к возникновению отказа.
Из этого определения следует, что отказ может наступать не только при механических или электрических повреждениях элементов (обрывы, короткие замыкания), но и при нарушении регулировки, из-за ухода параметров элементов за допустимые пределы и т.п.
Формулировка отказа для конкретного технического объекта является в известной мере одной из субъективных и важнейших задач при расчете надежности.
Критерий отказа - признак или совокупность признаков работоспособного состояния объекта, установленные в нормативно-технической и (или) конструкторской документации. В основу классификации отказов может быть положено ряд признаков. Признак отказа - это изменение объекта, обусловленное возникновением отказа и оказывающее непосредственное или косвенное воздействие на органы чувств наблюдателя. Наряду с различными видами отказов существуют и модели отказов - т.е. математическое описание физических или химических процессов, составляющих механизм отказа. Часто в надежности встречается понятие «производственный отказ», оно означает - отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполнявшегося на ремонтном предприятии.
В табл. 1 представлена классификация отказов.
Таблица 1 Классификация отказов
№	Классификационные признаки	Виды отказов
1	По возможности прогнозирования места возникновения	Закономерные
Случайные
2	По взаимосвязи между собой	Независимые
Зависимые
3	По характеру процесса возникновения	Внезапные
Постепенные
4	По времени существования	Окончательные
Временные
Перемежающиеся
5	По причинам возникновения	Конструктивные
Технологические
Эксплуатационные

6	По физическим признакам	Обрыв
Перегрузка
Уход параметров за пределы установленных норм ТУ
7	По объему и характеру восстановления	Расстройки
Повреждения
Аварии

Моменты возникновения откатов в сложной системе обычно являются событиями случайными. Однако место их возникновения удается иногда предсказать заранее. Это возможно в тех случаях, когда систематически наступает механический или электрический износ одного и того же элемента (или узла) во многих однотипных системах. Подобные отказы иногда называют закономерными в противоположность отказам случайным, место и моменты возникновения которых заранее предсказать затруднительно.
Систематические отказы одних и тех же элементов наиболее часто наблюдаются в начале эксплуатации первых образцов системы и возникают вследствие конструктивных или технологических ошибок. В дальнейшем аппаратура усовершенствуется и подобные отказы не возникают.
Отказы как случайные события, могут быть независимыми и зависимыми. Если отказ какого-либо элемента в системе не приводит к отказу других элементов, то такой отказ называется независимым Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, называется зависимым.
В большинстве случаев механические или электрические повреждения элементов наступают мгновенно, внезапно и приводят к потере работоспособности либо самого элемента, либо всей аппаратуры. Такие отказы называют мгновенными или внезапными Длительное постепенное изменение параметров элементов по причине старения материалов в большинстве случаев приводит лишь к ухудшению выходных характеристик аппаратуры при сохранении ее работоспособности. Такие отказы называют постепенными.
Отказы бывают также окончательные, временные и перемежающиеся.
При окончательном отказе аппаратура либо становится неработоспособной, либо ее характеристики выходят за допустимые пределы на все время, пока не будет устранен отказ.
Временные отказы могут самопроизвольно исчезать без вмешательства обслуживающего персонала после устранения вызвавшей их причины.
Перемежающийся отказ продолжается короткое время, затем система самовосстанавливается и работает надежно.
По причинам возникновения отказов можно выделить: конструктивные, технологические и эксплуатационные.
Конструктивные - возникающие в результате несовершенства правил и норм конструирования.
Технологические - возникающие в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполненного на ремонтном предприятии.
Эксплуатационные - возникающие в результате нарушения правил или условий эксплуатации.
По физическим признакам проявления различают отказы типа: обрыв, перегрузка, уход параметров за пределы установленных норм ТУ. Первые два вида отказов приводят, как правило, к полному прекращению функционирования системы, причем перегрузки могут вызывать цепь негативных последствий, изменение параметров определяет состояние скрытой неработоспособности, что приводит в конечном итоге к срыву решаемой задачи.
Расстройки, повреждения и аварии отличаются друг от друга объемом и характером ремонта.
Расстройкой называется нарушение нормального режима работы из-за неправильной установки органов регулировки при полностью исправных элементах системы; для их устранения достаточно лишь произвести подстройку.
К повреждениями относятся отказы, вызванные необратимыми изменениями параметров элементов, для устранения которых требуется заменить неисправные элементы.
К аварийным относятся отказы, для устранения которых требуется длительное время; они обычно происходят либо вследствие грубых нарушений правил технической эксплуатации, либо из-за производственных недостатков системы.
Отказы приводят к большим материальным затратам и снижению экономической эффективности аппаратуры. Расходы на техническое обслуживание и ремонт могут составлять до 50 % суммарного объема вложений в изготовление аппаратуры.
На рис. 3 представлена диаграмма распределения отказов.
■	Эксплуатация
■	Проектирование
■	Производство
■	Отказ
Рис. 3. Диаграмма распределения отказов
В табл. 2 представлены основные причины отказа на различных стадиях жизненного цикла системы. Конечно, данные, приведенные в табл. 2, являются ориентировочными и не могут отображать статистические связи в любых системах.
Таблица 2 Причины отказов системы
Этапы	Причины отказов	Число отказов, %
Проектирование	Схемные	
   11
	1. Недостатки схемы	
	2.	Неправильный выбор электрических величин
3.	Неправильное применение элементов	10
12
Этапы	Причины отказов	Число отказов, %
	Конструктивные	5
	1.	Неправильный выбор материала
2.	Неправильная механическая конструкция	5
Производство	1. Изготовление не в соответствии с техническими условиями.
1. Недоброкачественное сырье и полуфабрикаты	18

2
Эксплуатация	1. Климатические условия и механические нагрузки, не соответствующие, заданным
1. Неправильное обслуживание и неправильный режим эксплуатации	12

18
Причины, которые могут быть отнесены к любому из предыдущих этапов	Износ, старение и т.д.	7

Сбор сведений об отказах объектов может проводиться либо персоналом, непосредственно занимающимся техническим обслуживанием, либо представителями службы надежности. В последнем случае достоверность и полнота информации повышаются. В любом случае необходимы мероприятия по проверке заполнения первичных документов и стимулированию правильности записей в них.
Основными первичными документами об отказах объектов являются журналы, формуляры и карточки отказов. При большом числе элементов в системе, находящихся под наблюдением, удобно вести журнал. Преимущество журналов состоит в их компактности, простоте регулярного контроля и привычности для эксплуатационного персонала.
Формуляры ведутся на каждый технический объект и поэтому содержат информацию об объекте с начала его эксплуатации (сведения об отказах, восстановлениях, профилактике, доработке и т.п.).
Карточки отказов, представляющие собой бланки с вопросами, на которые надо дать ответ, заполняются при каждом отказе объекта. В карточки отказов вносятся следующие сведения:
1.	номер карточки;
2.	тип и серийный номер системы;
3.	длительность работы до появления отказа;
4.	условия работы (испытания) при которых появился отказ;
5.	внешние признаки неисправности (отказа);
6.	местоположение, тип и серийный номер отказавшего элемента;
7.	вероятная причина появления отказа;
8.	требуемый ремонт:
9.	трудозатраты на ремонт;
10.	дата и подписи липа, заполнявшего карточку, и начальника, проверившего правильность сведений.
Кроме этих сведений на карточках отказов записывается и другая информация, характерная для исследуемой системы.
Сбор сведений об отказах является весьма ответственным этапом исследования надежности элементов и систем. Необходимо всегда уметь выделить причину отказа.
Вся информация об отказах хранится в памяти компьютера и на машинных носителях. При накоплении данных вычисляются и уточняются значения показателей надежности.
Более консервативной формой представления сведений об отказах являются периодические отчеты об эксплуатации определенного количества однотипных систем (элементов). Обычно эти сведения оформляются в виде таблиц (ведомостей) отказов.