Рис.2.2 Основные схемы резервирования

По режиму работы резервного элемента различают:

нагруженное резервирование, когда резервный элемент находится в том же режиме работы, что и основной элемент;

ненагруженное резервирование, когда резервный элемент не несет нагрузки до начала выполнения им функций основного элемента;

облегченное резервирование, при котором резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной элемент.

Ресурс резервных элементов при нагруженном резервировании начинает расходоваться с момента включения объекта.

Постоянное резервирование, как правило, является нагруженным, что являемся существенным недостатком данного способа резервирования, так как при этом происходит расходование ресурса резервных элементов.

Облегченный режим работы резервного элемента применяют, например, при резервировании мощных электровакуумных СВЧ-приборов, включению в работу которых должен предшествовать требующий определенного времени подогрев катодного узла. Для снижения времени выведения таких приборов (находящихся в резерве) в номинальный режим используют ждущий (облегченный) режим работы, при котором, электропитание подается на катодный узел при отключенных аноде и управляющих электродах.

Способ включения резерва замещением обладает тремя основными достоинствами:

регулировка входных и выходных параметров в момент отказа основного и включения резервного элемента в большинстве случаев не требуется;

резервный элемент может находиться до момента включения в работу в облегченном или ненагруженном состоянии, что сохраняет ресурс элементов, повышает общую надежность резервированной системы и уменьшает расход энергии источников питания;

имеется возможность организации восстановления отказавших основных и (или) резервных элементов, что существенно повышает надежность резервированной системы.

По кратности резервирования, под которой понимают выраженное несокращенной дробью отношение числа резервных элементов к количеству резервируемых ими основных элементов, различают: однократное и многократное резервирование, а также резервирование с дробной кратностью.

Однократное резервирование часто называют дублированием. Для большей части резервированных систем именно дублирование элементов с недостаточной надежностью находит наибольшее применение. Вместе с тем для ответственных цепей и устройств сложных технических объектов используют и большие кратности резервирования. Так, например, для ответственных систем объектов авиационной, ракетной и космической техники характерным является применение трехкратного резервирования.

Резервирование с дробной кратностью используется, например, в случаях, когда аппаратура состоит из групп однотипных блоков. Тогда для резервирования отдельных групп может использоваться один, два или несколько резервных блоков, каждый из которых подключается взамен любого из основных. Этот вид резервирования, называемый также "скользящим резервированием", позволяет достичь значительного повышения надежности при сравнительно небольшом увеличении массы и габаритов. Такой метод резервирования находит применение в интегрированных источниках питания, построенных на основе однотипных транзисторных структур, число которых в одном блоке может достигать сотен единиц.

Для оценки относительной эффективности различных методов резервирования используют отношение уровней показателей надежности, достигаемых при сравниваемых методах и равных затратах на их реализацию (по количеству резервных элементов, увеличению массы и габаритов, стоимости и т.д.).

Следует отметить, что в общем случае указать более эффективные методы резервирования из числа рассмотренных выше не возможно. Каждый из этих методов имеет области предпочтительного применения, которые зависят от особенностей функциональных характеристик резервируемых элементов или устройств, их надежности, заданных требований и ограничений на массогабаритные и другие параметры резервированных систем и пр. В то же время при выборе конкретного метода резервирования необходимо учитывать, что, как правило, эффект от резервирования увеличивается при увеличении надежности используемых дополнительных элементов (таких как переключатели при резервировании замещением) и, что раздельное резервирование элементов существенно более эффективно, чем общее, и это преимущество резко возрастает с увеличением числа резервируемых элементов и кратности резервирования. Раздельное резервирование особенно целесообразно при низких значениях вероятности безотказной работы основной системы. Например, при количестве элементов в системе n=50 и вероятности безотказной работы каждого из них р=0,9 вероятность безотказной работы нерезервированной системы составляет 0,005, при общем однократном резервировании - 0,01. При раздельном резервировании система, состоящая из такого же количества элементов, будет иметь вероятность безотказной работы равную 0,6, что означает повышение надежности в 60 раз по сравнению с общим резервированием и в 120 раз по отношению к нерезервированной системе.

При резервировании устройств обработки информации используют, так называемые, мажоритарные формы резервирования. На рис.3.3 приведен пример простейшей из них - мажоритарное резервирование по принципу "два из трех".

Здесь входной сигнал поступает на входы трех одинаковых устройств (элементы 1, 2 и 3 на рис.2.3), выходы которых соединены с мажоритарным логическим элементом. Выходной сигнал можаритарного элемента определяется большинством значений входных величин.

Рис.2.3 Схема мажоритарного резервирования

То есть, результат работы резервированного объекта из трех включенных параллельно устройств будет считаться верным, если совпадают сигналы на выходе не менее двух из трех содержащихся в объекте устройств приема и (или) преобразования информации.

Несмотря на большое разнообразие разработанных способов и методов резервирования, проблема создания и совершенствовании эффективных методов рационального использования избыточности продолжает оставаться актуальной.

Выводы по второй главе.

На основе исследований методов обеспечения надежности можно сказать:

исследованы методы обеспечения надежности с точки зрения их применения в обеспечения надежности медицинских приборов.

методы обеспечения надежности МЭИ и МЭА, являются основопологающим для оценки надежности медицинских приборов т.к. последнее базируется на микроэлектронных схемах.

методы резервирования микроэлектронных изделий обеспечивают их высокую надежность, тем самим также можно обеспечивать надежность сложных микроэлектронных приборов и аппаратуры.

Глава 3. Надежность медицинских изделий

Техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность МИ, именуется показатель надежности. Он количественно характеризует, в какой степени данному МИ или данной группе изделий присущи определенные свойства, обусловливающие надежность. Показатель надёжности может иметь размерность (например, среднее время восстановления) или не иметь её (вероятность безотказной работы).

В зависимости от назначения МИ ему могут быть присущи (в различных сочетаниях) такие показатели надёжности, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. В общем случае, следовательно, надёжность - комплексное свойство, включающее целый ряд показателей, уточняющих отдельные специфические свойства. Для конкретных МИ и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.

Например, для невосстанавливаемого МИ, такого, как имплантаты. надёжность определяется его безотказностью при использовании по назначению

Если же речь идет о безотказности восстанавливаемого изделия, длительное время находящегося в состоянии хранения и транспортировки, то этот единственный показатель не в полной мере определяет его надёжность, при этом необходимо знать и о ремонтопригодности, и сохраняемости. В ряде случаев очень важное значение приобретает свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (снятие с эксплуатации, передача в средний или капитальный ремонт), т.е. необходима информация не только о безотказности МИ, но и о его долговечности.

Обычно под надёжностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. На рис. 3.1 показана совокупность свойств технических систем, в том числе и медицинских, от которых зависит надёжное их функционирование.

Рис. 3.1 Основные свойства технических систем

Анализируя данную совокупность, можно отметить следующее: надёжность МИ обусловлена тем. что изделие сохраняет во времени способность выполнять требуемые функции:

· выполнение требуемых функций должно происходить при значениях параметров в установленных пределах;

· способность выполнять требуемые функции должна сохраняться в заданных режимах (например, в повторно-кратковременном режиме работы) и в заданных условиях (например, в условиях влажности, в автомобиле скорой помощи и т.д.); МИ должен сохранять способность выполнять требуемые функции в различные фазы его жизни: при эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте, хранении и транспортировке. Различают несколько видов надёжности:

· аппаратурную надёжность, обусловленную состоянием аппаратов, в свою очередь она может подразделяться на надёжность конструктивную, схемную, производственно-технологическую; функциональную надёжность, связанную с выполнением некоторой функции (либо комплекса функций), возлагаемых на МИ или медицинскую систему;

· эксплуатационную надёжность, обусловленную выполнением правил использования и обслуживания;

· программную надёжность, обусловленную качеством программного обеспечения;

надёжность системы "человек-машина", зависящую от качества обслуживания МИ человеком-оператором.

Приводим некоторые определения существенные для медицинских изделий.

Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Элемент системы - объект, представляющий отдельную часть системы. Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов.

Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, связанных между собой определенными отношениями и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции.

Признаком системности является структурированность, взаимосвязанность составляющих частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. Системы функционируют в пространстве и времени.

Понятия система и элемент выражены друг через друга, поскольку одно из них следовало бы принять в качестве исходного, постулировать. Понятия эти относительны: объект, считавшийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба. Кроме того, само деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональные, конструктивные, схемные или оперативные элементы), от требуемой точности проводимого исследования, от уровня наших представлений, от объекта в целом. Человек, использующий медицинское изделие (оператор), также представляет собой одно из звеньев системы "человек-машина".

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативной документацией (НД).

Неисправность - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НД.

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НД.

Неработоспособность - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НД.

Важно отметить, что понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособное изделие, в отличие от исправного, удовлетворяет лишь тем требованиям НД, которые обеспечивают его нормальное функционирование при выполнении поставленных задач. В отличие от исправного, изделие обязано удовлетворять лишь тем требованиям НД, выполнение которых обеспечивает нормальное его применение по назначению. При этом он может не удовлетворять, например, эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида изделия не препятствует его нормальному (эффективному) функционированию.

Очевидно, что работоспособное изделие может быть неисправным, однако отклонения от требований НД при этом не настолько существенны, чтобы нарушалось нормальное функционирование.

Предельное состояние - состояние МИ, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого отклонения заданных параметров от установленных пределов, недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта.

Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются НД на данный вид МИ.

Невосстанавливаемое изделие достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельно допустимого значения срока службы (суммарной наработки).

Для восстанавливаемых изделий переход в предельное состояние определяется наступлением момента, когда дальнейшая эксплуатация невозможна или нецелесообразна вследствие ряда причин, таких как: невозможность поддержания его безопасности, безотказности или эффективности на минимально допустимом уровне; в результате изнашивания и (или) старения МИ пришло в такое состояние, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени восстановления исправности или ресурса.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправности изделия при сохранении его работоспособности.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Критерий отказа - это отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт отказа. Признаки (критерии) отказов устанавливаются в НД на конкретное МИ.

Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности).

Восстанавливаемое изделие - изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемое изделие - изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Термины временных характеристик надёжности

Наработка - продолжительность или объем работы объекта. Изделие может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае учитывается суммарная наработка. В процессе эксплуатации различают наработку времени, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т.д.

Технический ресурс - наработка изделия от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния. Обычно указывается, какой именно технический ресурс имеется в виду: до среднего ремонта, капитального ремонта, от капитального до ближайшего среднего и т.п. Если конкретного указания не содержится, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех (средних и капитальных) ремонтов, т.е. до списания по техническому состоянию.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации изделия от её начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния.

Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения установленных показателей (в том числе и показателей надёжности) в заданных пределах.

Показатели безотказности и ремонтопригодности МИ

Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ изделия не возникнет (при условии работоспособности в начальный момент времени). Для режимов хранения и транспортировки может применяться аналогично определяемый термин "вероятность возникновения отказа".

Заданная наработка - наработка, в течение которой изделие должно безотказно работать для выполнения своих функций.

Показатель технической эффективности функционирования - мера качества собственно функционирования изделия или целесообразности его использования для выполнения заданных функций. Этот показатель определяется количественно, как математическое ожидание конечного эффекта применения, т.е. в зависимости от назначения МИ принимает конкретное выражение.

Часто данный показатель определяется как полная вероятность выполнения изделием задач в лечебном процессе, с учетом возможного снижения качества его работы из-за возникновения частичных отказов. Применяют также термины: коэффициент сохранения эффективности, нестационарный коэффициент готовности, средний коэффициент готовности, стационарный коэффициент готовности.

Коэффициент технического использования - отношение средней наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме средних значений наработки, времени простоя, обусловленного техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени. Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов изделия за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.

Резервирование - метод повышения надёжности изделия введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Показатели долговечности и сохраняемости

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой МИ не достигает предельного состояния с заданной вероятностью.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса.

Назначенный ресурс - суммарная наработка изделием, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Средний ресурс до списания - средний ресурс от начала эксплуатации до списания.

Средний срок службы - математическое ожидание срока службы.

Отказ - событие, заключающееся в том, что изделие полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надёжности, поскольку от этого зависит количественная оценка надёжности.

Множественный отказ (отказы общего характера) - событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине.

3.1 Основные характеристики отказов медицинских изделий