Fiabilitate

Fiabilitatea reprezintă probabilitatea ca un sistem (element, bloc, ansamblu, aparat, echipament) să-și îndeplinească funcția intenționată, în condiții de utilizare determinate, pe o perioadă de timp precizată. Termenul fiabilitate provine din cuvântul de origine franceză "fiabilité" care se referă la studiul defectărilor sistemelor și care este o componentă esențială a siguranței în funcționare.După Dicționarul LAROUSSE, fiabilitatea este o "mărime caracterizând securitatea funcționării unui mecanism; măsură a probabilității de funcționare a unei aparaturi conform normelor prescrise". Fiabilitatea are corespondent în limba engleză prin termenul "reliability" (reliable -demn de încredere, sigur, trainic) și în limba rusă prin "нaдёжнoсть" (citește: nadiojnost) care înseamnă siguranță, securitate, soliditate. În literatura de specialitate din limba română s-au folosit inițial, ca sinonime, atât termenul de "fiabilitate" cât și termenul de "siguranță în funcționare", însă în prezent se consideră că siguranța în funcționare (engl.dependability) înglobează în principal patru componente: fiabilitate, mentenabilitate , disponibilitate și securitate.Fiabilitatea este o funcție de timp R(t), definită drept probabilitatea ca, în condiții operaționale specificate, obiectul (componenta, procesul, sistemul) să funcționeze fără defecte, menținându-și parametrii prestabiliți în intervalul de timp [0,t). Fiabilitatea se notează cu simbolul R, de la termenul englez reliability, notație însușită de întreaga literatură de specialitate. Practic, fiabilitatea este o probabilitate (de bună funcționare) , cu o valoare cuprinsă între 0 și 1.

La sistemele mai complexe, cunoscând fiabilitatea fiecărei componente în parte, se poate calcula fiabilitatea (siguranța în funcționare) a întregului sistem.

Noțiunea de fiabilitate se aplică nu numai la produse/aparate/echipamente, ci și cu referire la procese tehnologice. Fiabilitatea unui proces tehnologic reprezintă capacitatea acestuia de a asigura execuția produselor la volumul de producție dat, menținând în timp cerințele stabilite pentru calitatea produselor.

Formele fiabilității

Fiabilitatea se poate exprima în următoarele forme distincte:

Fiabilitatea previzională (proiectată) se stabilește încă din faza de proiectare a produsului. În această fază, pe baza structurii sistemului și a fiabilității elementelor constructive componente se verifică "a priori" fiabilitatea sistemului/produsului, în conformitate cu specificațiile tehnice.

Fiabilitatea experimentală (de laborator) se determină în laborator, pe prototip, seria zero și/sau piese-epruvetă, pe standuri de probe și încercări de fiabilitate, unde se creează condiții de solicitare (mecanice, termice, electrice, temperatură, umiditate etc.) similare cu condițiile reale de exploatare. Prin determinarea fiabilității experimentale se verifică și corectitudinea calculelor efectuate la stabilirea fiabilității previzionale.

Fiabilitatea operațională (efectivă) se determină în timpul utilizării produselor, în condițiile reale de folosire/exploatare a unui număr mare de exemplare identice pe o anumită perioadă de timp, produse care sunt utilizate efectiv de beneficiar. De exemplu, pentru studiul fiabilității unor autocamioane se culeg și se prelucrează statistic datele culese direct din autobazele utilizatorilor.

Fiabilitatea nominală este acea fiabilitate, sau indicator de fiabilitate, care este stabilită prin tema de proiectare, fiind prescrisă în specificații (standarde, documente de firmă, norme interne, contracte, caiete de sarcini etc.) și care se înscrie pe produs ; se referă la durata de viață, utilizare sau conservare a acestuia, garantată de furnizor.

Fiabilitatea potențială este cea evaluată la punerea în funcțiune a produsului. Poate fi stabilită experimental, pe componente extrase din fabricația de serie.

În practică, se calculează fiabilitatea previzională, se verifică în laboratoare determinându-se fiabilitatea experimentală, se confirmă în exploatare prin fiabilitatea operațională și, eventual, se înscrie pe produs fiabilitatea nominală.

Fiabilitatea unui sistem complex poate fi mărită pe două căi: a) simplificarea structurii și folosirea unor componente de calitate superioară; b) implementarea toleranței la defecte (engleză: fault tolerance).

Sisteme fără restabilire automată

Prin sistem fără restabilire se înțelege un sistem a cărui capacitate de funcționare nu se mai restabilește în perioada exploatării, după apariția defecțiunii (sistem nereparabil). Exemple de sisteme nereparabile sunt sateliții și circuitele integrate.

În legătură cu fiabilitatea trebuie definiți anumiți termeni, după cum urmează.

Defectul se definește ca incapacitatea unui element de a îndeplini o funcție cerută. Defectul este considerat o abatere a unei caracteristici de calitate de la nivelul dorit (impus).

Defectarea sau căderea (failure) reprezintă încetarea capacității unui produs de a-și îndeplini funcția specificată, așadar întreruperea funcționării lui în perioada de exploatare. Defectele sunt cauzele defectărilor. Defectele care pot apărea în faza de execuție a produsului sunt: defecte provocate de natura materialului; defecte provocate de mașina sau utilajul tehnologic; defecte provocate de operatorul uman; defecte provocate de metoda de control. În etapa de exploatare, defectele pot fi cauzate de uzare, de șocuri și deformații, de mediul ambiant, defecțiuni provocate de factorul uman. Exprimarea cantitativă a căderilor se poate face prin consemnarea duratelor (timpilor) de bună funcționare până la defectare.

Indicatorii de fiabilitate sunt mărimi care exprimă cantitativ fiabilitatea produselor. Aceștia sunt:

• funcția de fiabilitate;
• funcția de nonfiabilitate;
• densitatea de probabilitate a defectărilor;
• intensitatea (rata) de defectare;
• timpul mediu de bună funcționare.

Funcția de fiabilitate R(t) este probabilitatea P ca un produs să funcționeze fără defectare, în intervalul (0, t) , în condiții determinate:

R(t) = P(T >t) (1) unde:

T --variabilă aleatoare (timpul); t --limită cu valoarea dată a timpului de bună funcționare (care se admite că începe de la timpul zero).

Funcția este descrescătoare, continuă și pozitivă în intervalul de timp (0, ∞). Dacă t= 0, R(0) = 1; dacă t→∞, R(∞) →0.

Funcția de nonfiabilitate F(t) exprimă probabilitatea defectării unui produs care trebuie să funcționeze bine într-un interval de timp t stabilit:

F(t) = P(T < t) (2) Între cele două funcții, de fiabilitate și de nonfiabilitate există relația : R(t) = 1 - F(t)

Funcția densității de probabilitate a defectărilor f(t) exprimă densitatea de repartiție a evenimentului "defectare".

O noțiune importantă legată de fiabilitate este intensitatea de defectare (rata de defectare) λ(t) care exprimă probabilitatea ca un echipament, utilaj, produs etc. în bună stare de funcționare la momentul t să se defecteze în intervalul (t, t+dt). Prin definiție, λ(t) este o densitate de probabilitate condiționată a defectărilor.

Timpul mediu de bună funcționare MTBF (Mean Time Between Failures) exprimă timpul mediu de funcționare între două defectări succesive, în cazul produselor reparabile. În domeniul tehnicii de calcul, indicatorul MTBF reprezintă intervalul mediu de timp care se scurge până când o piesă hardware se defectează sau necesită întreținere. Timpul mediu de bună funcționare are aceleași inițiale MTBF și în limba franceză, engleză și spaniolă. În cazul unui sistem nereparabil, deci care este înlocuit după defectare, în locul indicatorului MTBF se folosește timpul mediu până la defectare MTTF (Mean Time To Failure). Cu cât MTTF crește, cu atât fiabilitatea se mărește. În practică, interesează în mod deosebit modul cum rata defectărilor λ(t) evoluează în timp. Pentru sistemele mecanice este tipică evoluția printr-un grafic denumit, în mod curent, curbă în formă de "cadă de baie" (engl.: bath--tub curve).

Pentru a stabili fiabilitatea unui sistem fără restabilire (nereparabil) se ia în considerație durata scursă de la punerea sau repunerea în funcțiune până la defectarea sistemului, denumită și "timp de funcționare fără defecțiuni", durată care este o variabilă aleatoare continuă. Pentru concizia reprezentării, de obicei se indică doar valoarea medie a timpului de bună funcționare.

În evoluția intensității de defectare a unui obiect în timp (durata de viață) se pot constata trei perioade distincte pe graficul de tip "cadă de baie":

1. perioada inițială sau de rodaj, în care defecțiunile se datorează unor cauze necunoscute sau doar ascunse, cum ar fi erorile de proiectare, deficiențele fabricației, ale controlului de calitate sau montajului, dar eventual și deficiențe în proiectare ș.a. În această perioadă, intensitatea de defectare este ridicată, pentru că se defectează elementele/componentele cele mai slabe, însă intensitatea de defectare se micșorează rapid până la un palier. Corectarea sau eliminarea acestor defecte în urma îmbunătățirii controlului tehnic de calitate, conduce la micșorarea intensității de defectare. În mod obișnuit, evitarea unor astfel de situații la beneficiar se obține prin executarea rodajului, înainte de livrare și dare în exploatare.
2. perioada de maturitate, de viață utilă sau de exploatare normală, în care frecvența defectărilor se menține aproximativ constantă. Defectările apar din cauza unor accidente sau evoluții imprevizibile ale funcționării. Perioada de viață utilă este în general mult mai mare decât celelalte, ceea ce face ca pentru multe astfel de obiecte (sisteme) intensitatea și frecvența defecțiunilor să fie relativ constantă. Alte caracteristici importante de fiabilitate sunt timpul mediu dintre două avarii succesive (engleză: Mean Time Between Failures, MTBF), precum și timpul mediu necesar pentru o reparație (engleză: Mean Time To Repair, MTTR). Scopul studiilor de fiabilitate este întotdeauna asigurarea unei disponibilități maxime, cât mai apropiate de 100 % din timpul de funcționare prevăzut. Pentru creșterea duratei de viață a unui sistem în perioada de maturitate se asigură efectuarea operațiunilor de mentenanță prescrise (ungere, curățare etc.).
3. perioada finală sau de îmbătrânire (bătrânețe), sau perioada defecțiunilor critice (catastrofale) în care intensitatea și frecvența defectărilor crește rapid, datorită unor uzuri inevitabile sau oboselii materialelor. Defectările evoluează cu o distribuție asimilată cu repartiția Weibull , deci cu o rată de defectare în creștere rapidă și continuă. Schimbările componentelor defecte și reparațiile preventive ale elementelor uzate asigură deseori evitarea apariției fenomenelor de defectare din perioada a treia, care pot avea consecințe grave. În practică s-a constatat că pentru unele utilaje și agregate tehnologice, perioada finală nu este atinsă, datorită mai ales uzurii morale, care conduce la scoaterea lor din folosință înainte de această perioadă.

Trebuie menționat că forma graficului se modifică în funcție de modul de întreținere. Perioada de maturitate (viață utilă) poate fi mărită prin acțiuni de verificare și schimbare preventivă a componentelor defecte. Cele mai multe componente electronice și electrice nu prezintă o perioadă a defecțiunilor critice.

Sisteme cu restabilire automată

Sistemul cu restabilire se caracterizează prin faptul că funcționarea poate fi reluată după apariția unei defecțiuni (de exemplu, prin înlocuirea componentelor defecte).

În special la sistemele cu "inteligență" proprie din branșa tehnologiei informației (IT), ca de exemplu la cele pentru transmiterea datelor, dar și la alte dispozitive cum ar fi discurile dure, sunt prevăzute sisteme automate de detectare și corectare a erorilor (engleză: Error Check and Correction, ECC). Cauzele erorilor de transmisie sunt în general foarte diverse, de multe ori fiind vorba doar de erori temporare (care nu reapar la o repetare a operației). Detectarea și corecția erorilor se automatizează cât se poate mai mult, pe baza transmiterii, respectiv a prezenței unor informații suplimentare, redundante. Această corecție automată, "în zbor", a datelor (engleză: on the flight) conduce la o mărire considerabilă a fiabilității percepute de om, dar ea poate să și "ascundă" cauzele reale ale problemelor.

Termenii folosiți în mod curent sunt:

• Bit Error Rate, BER - se referă la toate erorile reale
• Corrected Bit Error Rate, Corrected BER - se referă doar la erorile necorectabile (rămase după corectare).

Fiabilitatea sistemelor

În majoritatea cazurilor, produsele sunt formate din mai multe componente sau subansamble. În limbajul fiabilității aceste produse complexe se numesc sisteme.

Pentru calcularea, respectiv determinarea fiabilității unui sistem la proiectare este necesar să se cunoască fiabilitatea fiecărui element component, respectiv subansamblu și a conexiunilor acestora, în care scop se întocmește schema bloc pentru calculul fiabilității (engl. reliability block diagram). Schema bloc este un mijloc eficient de comunicare a structurii topologice a sistemului (definite prin conectarea mai multor componente). În schema bloc, sistemul este reprezentat ca o rețea în care componentele (blocurile) sistemului sunt conectate fie în serie, fie în paralel sau printr-o combinație a acestora. O schemă bloc pentru calculul fiabilității poate fi întocmită utilizând comutatoare în locul blocurilor, în care caz un comutator închis reprezintă o componentă în funcțiune, iar un comutator deschis--o componentă defectată.

Pentru întocmirea schemei bloc la proiectare este necesară parcurgerea următoarelor trei etape:

• se examinează modul de funcționare a produsului/sistemului, specificându-se conținutul funcționării fără defecțiuni; se identifică elementele sau subansamblurile care compun produsul și modul lor de funcționare;
• se stabilesc defecțiunile posibile care pot afecta atât produsul cât și elementele componente, prin analiza modurilor de defectare și a efectelor lor;
• se alcătuește modelul funcționării fără defecțiuni al sistemului, după cum elementele sunt legate în serie, în paralel sau printr-o combinație a acestor moduri.

Așa cum s-a precizat mai înainte, din punctul de vedere al structurii, sistemele pot fi: cu structură în serie, cu structură în paralel și cu structură serie--paralel.

Fiabilitatea sistemelor cu structură în serie. Se consideră că, din punct de vedere al fiabilității, un sistem format din n elemente are o structură în serie atunci când defectarea unuia dintre elementele componente atrage după sine întreruperea funcționării întregului sistem. Fiabilitatea unui sistem în serie R_s(t) se determină cu formula:

R_s(t) = R₁(t)R₂(t)...R_n(t) (3)

unde R_s(t) este fiabilitatea sistemului pentru un timp t;

R_i(t) --fiabilitatea elementului i, pentru același timp t.

Formula (3) este cunoscută sub denumirea teorema produsului fiabilităților.

Relația (3) arată că fiabilitatea sistemului în serie este întotdeauna mai mică decât fiabilitatea elementului cu cea mai scăzută fiabilitate.

Fiabilitatea sistemelor cu structură în paralel. Din punct de vedere al fiabilității, se consideră că un sistem format din n elemente are o structură în paralel dacă defectarea unui element nu conduce la defectarea sistemului, deoarece funcțiunile elementului defect sunt îndeplinite de elementele rămase în stare de funcționare; întregul sistem se defectează numai la defectarea tuturor elementelor componente. În acest sens, căile/rutele paralele sunt redundante.

Dacă R_i, cu i = 1...n este fiabilitatea acestor n componente, legate în paralel, atunci funcția de nonfiabilitate (probabilitatea de defectare) este dată de relația:

F_i = 1-R_i (4)

Nonfiabilitatea întregului sistem se calculează cu formula:

F_s =(1-R₁)(1-R₂)...(1-R_n) (5)

Pe baza relației (4), rezultă: R_s= 1-(1-R₁)(1-R₂)...(1-R_n) (6)

Fiabilitatea sistemelor cu structură serie-paralel. Fiabilitatea unor astfel de sisteme se determină pe baza considerentelor anterioare, de la sistemele cu legătură în serie și cu legătură în paralel a elementelor componente. Datorită complexității unor astfel de structuri, fiabilitatea sistemului se calculează ținând seama de fiecare caz în parte.

Redundanța a sistemului

Redundanța reprezintă folosirea unor sisteme sau dispozitive de rezervă, suplimentare, în scopul creșterii fiabilității sistemului. Redundanța se realizează prin folosirea de componente (unități, module) adiționale, peste numărul normal necesar, pentru ca sistemul să funcționeze satisfăcător atunci când apar defecțiuni, aceste componente adiționale preluând rolul funcțional al celor defectate. Acest procedeu șe aplică în cazurile în care repararea sistemului nu este posibilă imediat după defectare : aeronautică, tehnica rachetelor etc. Repararea unui sistem în timpul funcționării sale fără întreruperea funcției sale este posibilă numai pentru o structură redundantă a sistemului, cu componente redundante accesibile. În acest caz, o reparare sau o înlocuire crește fiabilitatea și disponibilitatea sistemului.

Un sistem în serie nu are redundanță, deoarece defectarea oricărei componente duce la defectarea întregului sistem, în timp ce un sistem în paralel poate avea redundanță deoarece defectarea unei componene (sau a mai multor) nu conduce la defectarea sistemului.

Într-un sistem paralel pur, redundanța este funcție de numărul și tipul componentelor conectate în paralel.Dacă se folosesc numai componente cu două stări funcționale, starea operațională și starea defectă, , atunci creșterea numărului de componente conectate în paralel va conduce la creșterea fiabilității sistemului. Dacă componentele au mai mult de două stări funcționale, atunci există un număr optim de componente care maximizează fiabilitatea sistemului. Exemple tipice de componente cu trei stări sunt tranzistorii și diodele. Un tranzistor poate funcționa corect sau se poate defecta în două moduri : când este în circuit- deschis sau în scurtcircuit.

Există două tipuri de redundanță : activă și pasivă. În cazul redundanței active, toate componentele redundante funcționează continuu, la același regim cu componentele normale ale sistemului. În cazul redundanței pasive, componentele redundante sunt în repaus și încep să funcționeze numai la nevoie, atunci când una sau mai multe componente funcționale se defectează. Redundanța pasivă mai este denumită redundanță de tip stand-by. (stand-by = de rezervă, auxiliar). Aplicarea tipului de redundanță depinde de starea critică a sistemului și de consecințele unei defecțiuni majore. De exemplu, un avion pentru a cărui bună funcționare este necesar ca două din trei motoare să funcționeze, are toate motoarele în redundanță activă, în timp ce un computer folosește o sursă de alimentare (UPS) în redundanță pasivă, pentru a asigura alimentarea atunci când alimentarea principală se defectează.

Redundanțele de tip stand-by se clasifică, în conformitate cu caracteristicile de defectare, astfel:

Hot stand-by --componentele aflate în stand-by au aceeași rată de defectare ca și cea primară.

Cold stand-by --componentele aflate în stand-by nu se defectează dacă rămân pe stand-by.

Warm stand-by --o componentă stand-by are o rată de defectare mai mică decât a componentei primare, dar este mai mare ca zero.

Utilizarea coeficientului de siguranță în activitatea de proiectare conduce la realizarea unui nivel de redundanță dorit. Cu cât este mai mare coeficientul de siguranță, cu atât va fi mai mare nivelul de redundanță.

Pentru sistemele reparabile, una dintre principalele proprietăți care intră în determinarea fiabilității este mentenabilitatea.

Încercări de fiabilitate

În practica cercetării fiabilității în cadrul laboratoarelor există patru tipuri de încercări:

• Încercări cu eșantion epuizat : acestea se efectuează până la defectarea tuturor elementelor eșantionului (eșantionul "se epuizează").
• Încercări cenzurate :acestea se opresc la un anumit număr de defectări, dinainte stabilit. Se supun testării n obiecte de același tip, încercările considerându-se terminate după căderea a r<n dintre produsele testate, unde r este un număr dinainte stabilit.. Eșantionul se numește incomplet.
• Încercări trunchiate sau limitate. Acestea presupun stabilirea duratei încercării la o valoare de timp oarecare T, stabilită în prealabil, după care încercările se opresc, indiferent de numărul defectărilor, experimentul fiind considerat încheiat.
• Încercări accelerate care se realizează prin mărirea solicitărilor, însă fără a modifica modelul fizic al defectărilor.

Vezi și

• Fiabilitatea securitatii informatice
• S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)
• RAID - metodă de conectare a mai multor discuri dure pentru mărirea fiabilității grupului de discuri
• Toleranță la defecte

Bibliografie

• Al. Isaic-Maniu, V. Gh. Vodă, Fiabiliatea - șansă și risc, Editura Tehnică, București, 1986
• Tudor Baron, Calitatea și fiabilitatea produselor. Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1976

Lectură suplimentară

Vasile M. Cătuneanu, A. N. Mihalache, Bazele teoretice ale fiabilității. Ed. Academiei R. S. România, București, 1983