На правах рукописи ПАНЬКОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Специальность 05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук г. Москва 2016 г. 2 Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» Российской Федерации. Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кудеяров Юрий Алексеевич, Главный научный сотрудник ФГУП «ВНИИМС» Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Данилов Александр Александрович, Заместитель директора Пензенского ЦСМ доктор технических наук Левин Александр Давидович, ведущий научный сотрудник ФГУП «ВНИИОФИ» Ведущая организация: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Защита диссертационной работы состоится «___» ___________ 2016 г. в ___ : ___ на заседании диссертационного совета Д 308.001.01 в ФГУП «ВНИИМС» по адресу: 119361, Москва, ул. Озерная, д.46. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИМС». Автореферат разослан «___» ___________ 2016 г. Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Лысенко В.Г. 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Подавляющее большинство современных средств измерений представляют собой автоматизированные приборы, которые включают в себя или сопровождаются программным обеспечением. Хорошо известно, что использование ПО в СИ приводит к появлению рисков, связанных как с внутренними свойствами самого ПО, так и с возможностью внешнего воздействия на него. Это приводит к тому, что всё чаще ставятся вопросы о доверии к результатам измерений, полученным с применением такого СИ, о степени влияния программного обеспечения на метрологические характеристики СИ и об уровне его защищённости от внешних воздействий, могущих привести к искажению измерительной информации. Отсюда следует, что одной из основных задач работников метрологических служб в современных условиях является задача оценки и минимизации рисков, связанных с использованием ПО в СИ. Актуальность данной проблемы на законодательном метрологическом уровне была в свое время обозначена таким авторитетным деятелем в области законодательной метрологии, как директор МОЗМ J.F. Magana, который в бюллетене МОЗМ v. XLIX, N 2, 2008 отметил, что современные СИ в ряде случаев оснащены таким ПО, которое может радикально расширять и видоизменять функциональные возможности СИ. При этом органы, ответственные за утверждение типа СИ, в ряде случаев по тем или иным причинам не способны дать корректные и исчерпывающие ответы на вопросы, связанные с защищенностью ПО и измеренных данных, а также гарантировать в сложившейся ситуации их достоверность. Эти проблемы являются решающими для законодательной метрологии, чьей задачей является обеспечение доверия к результатам измерений, полученными средствами измерений, функционирующими без систематического и постоянного надзора со стороны компетентных метрологических органов. Если технологии защиты информации не будут использоваться в этих средствах измерений, доверие не может быть обеспечено, и все другие метрологические и технические решения, поставляемые законодательной метрологией, будут иметь очень ограниченный интерес. В отечественных нормативных документах федерального уровня указание о необходимости проведения оценки влияния ПО на метрологические характеристики СИ и уровня его защищенности закреплено в п. 1 и 2 ст. 9 Федерального закона РФ «Об обеспечении единства измерений» и в приказах Минпромторга России от 30 ноября 2009 г. №1081 и Минэкономразвития России от 30 мая 2014 г. № 326. Указанные нормативные документы устанавливают необходимость проведения оценки ПО СИ, но не поясняют механизм и методику ее осуществления. Из сказанного следует, что вопросы, связанные с разработкой, исследованием и совершенствованием методов оценки и испытаний ПО СИ являются актуальными, и их рассмотрение вызвано насущными и реальными проблемами, стоящими перед разработчиками, пользователями и испытателями автоматизированных средства измерений. 4 Таким образом, возникает важная научно-техническая задача научного обоснования, разработки, исследования и совершенствования методов испытаний и оценки характеристик и свойств ПО СИ. Решению этих задач посвящена предлагаемая диссертационная работа. Цель диссертационной работы Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов испытаний ПО СИ, в том числе опорного ПО, и выработка критериев оценки характеристик и свойств ПО СИ. Задачи исследования Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные и практические задачи: 1. Провести анализ и исследование существующих требований к программному обеспечению СИ, контролируемому законодательной метрологией, с целью обоснования выбора оптимального набора требований. 2. Провести анализ и исследование существующих методов проверки и критериев оценки качества (характеристик и свойств) ПО СИ с целью их дальнейшего совершенствования. 3. Разработать типовую методику проведения испытаний ПО СИ. 4. Разработать опорное программное обеспечение для испытаний ПО СИ цифровых подстанций в соответствии с протоколом IEС 61850-9-2. 5. Исследовать метод испытания программного обеспечения, основанный на перекрестной проверке (кросс-валидации), и сформулировать количественный критерий оценки качества (характеристик и свойств) ПО. 6. Исследовать возможность применения критериев адекватности аппроксимирующих функций (коэффициентов детерминации, информационных критериев и критерия Колмогорова) в методе калибровочных кривых. Объект исследования Программное обеспечение средств измерений. Методы и средства исследования В работе применялись эмпирические и теоретические методы исследования (методы анализа и синтеза, сравнения и моделирования). Теоретические исследования осуществлялись методами программного и математического моделирования с использованием аппарата математической статистики, численных методов математического анализа, которые послужили основой для разработки и реализации программных алгоритмов в средах C Builder, Mathcad, Dreamweaver. Эмпирические исследования проводились в ФГУП «ВНИИМС» и базировались на сравнении полученных теоретических выводов с экспериментальными результатами исследований, проводимых на реальных массивах данных измерений, полученных от компаний ООО «Теквел», ООО «Систел» и ООО «Компания ДЭП» и ООО «ЭнергопромАвтоматизация». Научная новизна работы заключается в следующем: 1. По результатам проведенного анализа и исследований обоснован оптимальный набор требований к ПО СИ и определен порядок проведения испытаний ПО при испытаниях автоматизированных СИ с целью утверждения типа, реализованный в рекомендациях Росстандарта по метрологии Р 50.2.077 – 2014. 2. На основе предложенного набора требований разработан ряд опорных программных продуктов для испытаний ПО СИ, в том числе ПО цифровых подстанций в соответствии с протоколом IEC 61850-9-2. 3. На основе проведенного анализа и полученных результатов исследований разработаны два национальных стандарта, содержащие требования к ПО СИ и усовершенствованный вариант типовой методики испытаний такого ПО. 4. Экспериментально подтверждена возможность использования метода перекрестной проверки (кросс-валидации) при оценке и подборе модельно зависимых параметров качества передаваемой электроэнергии. 5. Наряду с известными информационными критериями показана возможность применения критерия Колмогорова для отбраковки неадекватных модельных функций в методе калибровочных кривых. Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанная методика проверки уровня защищенности и идентификационных признаков ПО позволяет проводить его испытания при испытаниях СИ для целей утверждения типа. 2. Разработанные национальные стандарты и опорные ПП позволяют проводить испытания ПО СИ, в том числе ПО цифровых подстанций в соответствии с протоколом IEС 61850-9-2. 3. Подход, основанный на использовании метода кросс-валидации и количественного критерия оценки качества ПО применим для оценки значений модельно-зависимых параметров. 4. Критерий Колмогорова может быть эффективно использован в методе калибровочных кривых для отбраковки неадекватных модельных функций. Практическая ценность работы Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют принципиально усовершенствовать процедуру испытаний в целях утверждения типа средств измерений за счет введения дополнительных методов проверки ПО СИ, что, в свою очередь, позволяет: - повысить доверие к результатам измерений, полученным с применением такого СИ, - убедиться в отсутствии несанкционированного доступа к метрологически значимой части ПО СИ и данным; 6 - установить уровень защищенности ПО СИ; - провести оценку влияния ПО СИ на МХ СИ; - ускорить и удешевить процедуру проверки ПО СИ цифровых подстанций. Достоверность и обоснованность Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью применения логического и математического аппарата; достаточным объемом и результатами испытаний ПО СИ, выполненных в аккредитованных лабораториях организациями, проводящими испытания в целях утверждения типа средств измерений; достаточным объемом и результатами испытаний ПО, выполненных в СДС ПО СИ ФГУП «ВНИИМС», СДС ПО СИ и АПК АНО «МИЦ»; использованием для тестирования и отладки опорного ПО эталонных пар данных. Реализация и внедрение результатов работы Результаты исследований были использованы при разработке рекомендаций по метрологии, методик института, национальных стандартов и большого количества работ, проводимых в рамках системы добровольной сертификации ПО СИ. В их числе: 1. Национальный стандарт ГОСТ Р 8.654-2015 «ГСИ. Программное обеспечение средств измерений. Требования к программному обеспечению средств измерений. Основные положения»; 2. Национальный стандарт ГОСТ Р 8.883-2015 «ГСИ. Программное обеспечение средств измерений. Алгоритмы обработки, хранения, защиты и передачи измерительной информации. Методы испытаний»; 3. Рекомендации Росстандарта по метрологии Р 50.2.077-2014 ГСИ. Испытания средств измерений в целях утверждения типа. Проверка защиты программного обеспечения; 4. Методика института МИ 3455-2015 «Требования к программному обеспечению для тестирования средств измерений, осуществляющих генерацию и/или передачу выборок результатов измерений мгновенных значений тока и напряжения в соответствии с стандартом МЭК 61850-92LE»; 5. Методика института МИ 3464-2015 «Требования к структуре Ethernet кадра SV сообщений в соответствии с серией стандартов МЭК 61850»; 6. Опорное ПО, используемое при сертификационных испытаниях ПО СИ цифровых подстанций в рамках СДС ПО СИ ФГУП «ВНИИМС» (работы велись с компаниями ООО «Теквел», ООО «Систел» и ООО «Компания ДЭП»); 7. Методы испытаний ПО СИ и критерии оценки качества (характеристик и свойств) ПО при сертификационных испытаниях ПО в рамках СДС ПО СИ ФГУП «ВНИИМС»; 8. Стандарт организации по испытаниям ПО СИ, проводимых в институте, являющийся составной частью системы менеджмента качества ФГУП «ВНИИМС». Апробация работы Основные результаты работы доложены и обсуждены на региональных, всероссийских и международных конференциях и семинарах: - Международный научно-технический семинар «Математическая, статистическая и компьютерная поддержка качества измерений», г. СанктПетербург, 2006г.; - IV Научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение измерительных систем», г. Пенза, 2007г.; - Отраслевая научно-практическая конференция когенерация 2014», г. Москва, 2014г.; «Теплоснабжение и - XVI Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение энергетических ресурсов», г. Анапа, 2014г.; - 1-я Всероссийская научно-практическая конференция «Современное состояние законодательства в области метрологии, экологической и промышленной и пожарной безопасности», г. Южно-Сахалинск, 2014г.; - Однодневный семинар, посвященный новой версии Рекомендаций к методикам «Испытания средств измерений в целях утверждения типа. Проверка защиты программного обеспечения», Москва, 2014г.; - IX Всероссийская научно-практическая конференция «ВЕСЫ-2014», г. Туапсе, 2014г.; - Региональная конференции ассоциации «Автометхим», г. Нижнекамск, 2014г.; - Региональная научно-практическая конференция «Автоматизация и метрологическое обеспечение технологических процессов», г. Томск, 2015г.; - Всероссийская конференция главных метрологов предприятий химического и нефтехимического комплекса, г. Воскресенск, 2015г.; - XIII Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Метрология и взаимозаменяемость», г. Москва, 2015г.; 8 - Научная конференция молодых специалистов метрологических институтов, посвященная 90-летию Росстандарта, г. Москва, 2015г.; - Однодневный технический семинар Безопасность», г. Находка, 2015г.; «Автоматизация. Метрология. - Семинар КООМЕТ в рамках PTB - COOMET проекта «Поддержка регионального сотрудничества между странами-членами региональной метрологической организации КООМЕТ», г. Минск, 2015г.; - 9-я научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение измерительных систем», г. Пенза, 2015г.. Публикации Материалы диссертации опубликованы в 16 научных работах, из которых 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК. Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами к каждой из них, выводов, заключения и библиографии из 113 наименований. Общий объем диссертации изложен на 170 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 12 таблиц и 2 приложения. 2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показана важность и актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследования, аргументирована научная новизна исследования и практическая значимость результатов работы, представлены выносимые на защиту научные положения и сведения об апробации работы. В первой главе осуществлено выделение программного обеспечения средств измерений как объекта исследования и рассмотрено его правовое регулирование в существующей системе нормативно-правовых актов РФ. Был проведен анализ состояния вопроса в области регламентации требований к ПО СИ на основе обширного списка отечественных и международных документов (Рисунок 1). Проведенный анализ показал, что: 1. Проблема установления и регламентации требований к ПО СИ нашла свое отражение в большом количестве отечественных и международных документах. 2. Упоминание о необходимости проверки ПО СИ в Директиве Евросоюза по средствам измерений в 2004 г. послужило основой для развития этого направления во всем мире, в результате чего были разработаны основные рекомендательные документы ряда метрологических организаций, таких как МОЗМ, КООМЕТ, WELMEC. 10 3. Отечественные метрологические институты и центры ведут активные работы в рассматриваемой области, используя за основу, как вышеуказанные международные нормативные документы, так и собственные разработки. 4. Обзор отечественных нормативных документов и публикаций, а также анализ зарубежного опыта в рассматриваемой области показали, что существующая отечественная нормативная база в отношении требований к ПО СИ находится на высоком уровне и оптимально гармонизирована с требованиями к ПО СИ, предъявляемых в ведущих странах мира. При этом, отечественные нормативные документы учитывают Российскую специфику применения требований к ПО СИ: отсутствие классов риска, расширенные требования к идентификационным признакам ПО, упрощенную, в оговоренных случаях, процедуру проверки защиты ПО СИ, декларирование ряда характеристик ПО (Рисунок 3). 5. Среди многообразия рассмотренных документов основополагающими для установления требований к ПО СИ и в последствии его испытаний являются документы: - ГОСТ Р 8.654 Требования к программному обеспечению средств измерений. - ГОСТ Р 8.839-2013 Государственная система обеспечения единства измерений. Общие требования к измерительным приборам с программным управлением. - Р 50.2.077-2014 ГСИ. Испытания средств измерений в целях утверждения типа. Проверка защиты программного обеспечения. - МИ 2174-91. Рекомендация. ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ обработки данных при измерениях. Основные положения. Результатом исследовательской работы стала актуализация стандарта ГОСТ Р 8.654, который с 1 марта 2016 г. вступил в силу в новой редакции. Вторая глава работы посвящена исследованию существующих и разработке новых методов и методик тестирования ПО СИ, а также выработке критериев оценки качества ПО СИ. Существующие на сегодня методы тестирования ПО не позволяют однозначно и полностью выявить все дефекты анализируемой программы, поэтому все существующие методы тестирования действуют в рамках процесса проверки исследуемого или разрабатываемого программного обеспечения. Такой процесс может доказать, что дефекты отсутствуют с точки зрения используемого метода, а его реализация не сводится к следованию строгим и чётким процедурам или созданию таковых. В первом разделе второй главы был проведён анализ существующих методик, применяемых при испытаниях программное обеспечение средств измерений в результате чего удалось выявить ряд особенностей, их характеризующих: методики проверки должны учитывать особенности, характерные для ПО СИ, а процесс проверки представляться следующими основными этапами: - разработка тестов; - проведение тестирования; - обработка результатов тестирования. При этом, методика проверки ПО должны учитываться требования, предъявляемые к ПО СИ: - ПО должно иметь структуру с выделением метрологически значимой части; - данное ПО реализует алгоритмы, сбора, передачи и обработки данных, т.е. к таким алгоритмам применяются требования к точности; - ПО должно иметь набор идентификационных признаков; - ПО и данные измерений должны иметь средства защиты от несанкционированных и случайных изменений. Исследование существующих методик испытаний ПО СИ показали, что наиболее предпочтительным является подход, изложенный в рекомендациях ФГУП «ВНИИМС» МИ2955-2010 «ГСИ. Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений», т.к. он учитывает специфику метрологического ПО, носит универсальный характер и не зависит от типа СИ, а также основывается на международном опыте тестирования ПО СИ. Структура документа показана на Рисунке 2. Результатом исследовательской работы стала переработка и актуализация в данного документа, который с 1 марта 2016 г. вступил в силу в статусе государственного стандарта ГОСТ Р 8.883-2015 «ГСИ. Программное обеспечение средств измерений. Алгоритмы обработки, хранения, защиты и передачи измерительной информации. Методы испытаний». 12 Методам тестирования ПО СИ посвящена вторая часть второй главы работы. Проведен обзор существующих методов тестирования ПО СИ, основанных на методах «черного ящика» и «белого ящика». При тестировании программы методом «черного ящика», она подвергается известному набору воздействий, и по его реакции на эти воздействия делаются заключения о некоторых его свойствах. Метод «белого ящика», подразумевает проверку исходного кода ПО и детальное исследование функций. Были рассмотрены такие методы тестирования ПО СИ, как: - метод испытаний, основанный на использовании опорного программного обеспечения; - метод испытаний ПО СИ с использованием моделей исходных данных, либо с применением метода генерации «эталонных» данных; - метод сличения программного вычислительной точности; обеспечения одинакового уровня - метод испытаний, основанный на анализе исходного кода. Для широкого круга метрологических задач по оценке адекватности калибровочных кривых были рассмотрены методы, основанные на вычислении коэффициента детерминации, скорректированного коэффициента детерминации, информационных критериев Акаике, выборочного критерия Акаике и информационного критерия Байеса. Наряду с информационными критериями была предложена возможность применения критерия Колмогорова. При использовании критерия Колмогорова рассматриваются три функции: - функция y = y (x) ,неизвестна и описывает объективно существующую зависимость выходного сигнала от входного; - эмпирическая функция y n = y (x n) , является эмпирическим представлением функции y = y (x) ; - теоретическая функция y€(x | θ) , предлагается для описания функции y = y (x) . Статистика Колмогорова D (максимальное расстояние между функциями) для эмпирической функции y n = y(xn) определяется соотношением D = sup y(xn) − y€(x | θ) , (1) При применении критерия Колмогорова необходимо сформулировать статистическую гипотезу H 0 , заключающуюся в утверждении, что модельная функция отклика y€(x | θ) совпадает с объективной, реальной зависимостью y = y (x) , что можно записать так гипотеза H 0: y€(x | θ) = y (x) . (2) Если же гипотеза Н0 неверна, т.е. справедлива альтернативная гипотеза Н1: y€(x | θ) ≠ y(x) , то величина D будет положительной и не будет стремиться к нулю, т.е. D = sup | y(xn) − y€(x | θ) |> 0. Колмогоровым было показано, что независимо от вида теоретической (модельной) функции от непрерывной случайной величины x в случае неограниченного увеличения числа независимых измерений N вероятность неравенства D N ≤ λ (3) стремится к предельной вероятности, равной p(λ) = ∞ ∑ (−1) e i −2i 2λ2 . (4) i =−∞ Из (3) следует, что для больших значений λ вероятность реализации такого неравенства, т.е. вероятность p (λ) , велика. Если положить эту вероятность равной 0,95, то найденная экспериментально статистика D для адекватной модельной функции будет с такой же большой вероятностью заведомо удовлетворять неравенству (3). В свою очередь, вероятности p (λ) = 0,95 соответствует квантиль распределения (4), равный λ0,95= 1,39. Из сказанного следует, что если найденное из эксперимента критериальное значение λex = D N удовлетворяет условию λex < λ0,95 = 1,39, то нулевая гипотеза Н0 об адекватности модельной функции справедлива. Если же значение λ ex превышает значение λ0,95, то нулевая гипотеза H 0 отвергается. При практическом применении критерия А.Н. Колмогорова критериальный параметр λ ex принимается равным λex = D N . (5) Применение критерия Колмогорова при оценке адекватности модельных функций в методе калибровочных кривых сводится к выполнению следующей последовательности действий: 1. В реальном эксперименте получить эмпирическую зависимость y n = y (x n) выходного сигнала y n от значений входного xn . 2. С помощью экстраполяционной процедуры получить аналитическое выражение для эмпирической функции y (x n) . 3. На основе анализа полученной экспериментальной информации и/или теоретических соображений предложить теоретическую (модельную) функцию, описывающую зависимость выходной реакции анализатора на входные воздействия. 14 4. Методом наименьших квадратов оценить значения параметров θ модельной функции. 5. Графическим или программным образом из сравнения эмпирической и модельной функции найти значение величины D . 6. По формуле (5) вычислить значение критериального параметра λ ex и сравнить его с критическим значением λ0,95 квантиля распределения. Если найденное из эксперимента критериальное значение λex = D N удовлетворяет условию λ < λ0,95 = 1,39, то гипотезу H 0 о соответствии экспериментальной функции модельной следует рассматривать как правдоподобную, не противоречащую опытным данным, а модельную функцию адекватной. В противном случае следует принять гипотезу Н1. Для демонстрации возможностей вышеобозначенных критериев было рассмотрено применение нескольких модельных функций для описания экспериментальных зависимостей, полученных при проведении иммуносорбентного анализа ферментно связанных мононклональных антител и при определении концентрации бензодиазипина методом иммунохроматографии. Рисунок построенные данным 3 Модельные функции, по экспериментальным Рисунок 4 Модельные функции, построенные по экспериментальным данным Из этого перечня модельных функций только экспоненциальные функции имеют простейшее кинетическое обоснование. Из рисунков видно, что адекватные функции (кривые 1 и 3) действительно удовлетворяют всем используемым критериям. В то же время, для линейной функции (кривая 2), обратно пропорциональной функции (кривая 4) и для некоторых других функций критерии, основанные на вычислении коэффициентов детерминации, не позволяют оценить ее неадекватность, в то время как критерий Колмогорова такие функции бракует. Таблица 1 Модельные функции и параметры критериев Модельная функция y = β0 +β1(1 − e−β2x) Номер кривой на рисунке Критерий Колмогорова 1 λ ex =0.73 y = β0e−β1x + β2 2 β1 1 + β2 ⋅ x 0.99 0.97 -2.77 -0.99 λ ex =2.73 0.8 0.77 -0.73 1.27 0.99 0.99 -2.07 -0.22 0.99 0.99 -1.91 0.19 λex > λ0,95 λ ex =1.28 3 λex < λ0,95 4 λ ex =1.52 β0 = 9.14 β1 = 0.30 β2 = 0.02 y= BIC λex < λ0,95 β0 = -0.65 β1 = 4.09 β2 = 220.32 y = β 0 + β 1⋅ x β0 = -0.398 β1 = 0.004 (λ0,95 = 1,39) AIC λex > λ0,95 β0 = 9.65 β1 = 0.03 По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что выбор того или иного метода тестирования ПО зависит, прежде всего, от возможности его применения. При наличии опорного ПО выбор метода сравнительного тестирования будет оптимальным. При отсутствии опорного ПО, а также возможности подачи на вход ПО (программный интерфейс) модельных («опорных») данных может быть выбран метод получения/генерации опорных данных. На выбор методов также влияет и жесткость требований к испытаниям ПО СИ. При высокой жесткости, в большинстве случае необходимо проводить структурное тестирование, т.е. тестированием с применением методов анализ исходного кода ПО. В зависимости от области применения ПО и используемых при его разработке математических алгоритмов возможно применение различных критериев оценки качества ПО. Третья глава посвящена проверке программного обеспечения при испытаниях средств измерений с целью утверждения типа. На основе нормативных документов был проведен анализ правового регулирования ПО СИ в РФ и выделены основные особенности ПО СИ, которые сводятся к следующему: - использование ПО в СИ не должно приводить к искажению измерительной информации; - ПО СИ должно быть защищено от преднамеренных и случайных изменений; 16 - ПО, используемое в конкретных СИ данного типа, должно идентифицироваться и полностью соответствовать ПО, установленному в СИ при испытаниях с целью утверждении типа. Рассмотрена структура и содержание рекомендаций по метрологии Р 50.2.077-2014. «Испытания средств измерений в целях утверждения типа. Проверка защиты программного обеспечения». На Рисунке 3 приведены ее отличительные особенности. Рисунок 5. Отличительные особенности рекомендации Р 50.2.077-2014 Данный документ был разработан специалистами ФГУП «ВНИИМС» в рамках рабочей группы по программному обеспечению СИ, созданной Росстандартом РФ и в него вошла значительная часть наработок и результатов исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работой. Сформулированы основные отличительные особенности отечественного подхода к испытанию ПО СИ: - разработчик (изготовитель, заявитель) должен декларировать уровень защиты программного обеспечения, а задача аккредитованной организации - провести работу по установлению соответствия СИ заявленному уровню защиты ПО и зафиксировать это в описании типа СИ; - основными характеристиками программного обеспечения, проверяемыми при испытаниях с целью утверждения типа СИ, являются уровень защиты и идентификация; - допускаются случаи, когда проверку защиты ПО СИ и оценку ее уровня допускается не проводить; - разработчик (изготовитель, заявитель) должен декларировать отсутствие недокументированных возможностей ПО, полноту представленной документации. Сформулированы выводы относительно текущего состояния состояние нормативной базы в области законодательно контролируемого программного обеспечения: - рекомендация Р 50.2.077-2014 отражает основные особенности национального подхода к тестированию программного обеспечения технических средств, входящих в сферу государственного регулирования в области обеспечения единства измерений, при этом, она максимально гармонизирована с международными рекомендациями, относящимися к программному обеспечению средств измерений: документом МОЗМ D31 и рекомендацией WELMEC 7.2. - рекомендации Р 50.2.077-2014 стали заключительным звеном в цепочке документов, состоящих из методик институтов, рекомендаций и национальных стандартов, определяющих требования к ПО СИ, процедуре их оценки и тестированию. - текущее состояние нормативной базы в области законодательно контролируемого программного обеспечения позволяет проводить оценку ПО СИ с учетом передового мирового опыта в данной области и при этом учитывать специфику Российского законодательства со своими особенностями. В четвертой главе проведена апробация рассмотренных в диссертационной работе требований, методов и методик испытаний ПО СИ на примере разработки опорного программного продукта для целей тестирования технических средств и ПО СИ, функционирующих в соответствии с протоколом IEС 61850-9-2 и дополнительными рекомендациями МЭК 61850-9-2LE. Рассмотрены особенности применяемых стандартов. В соответствии с ГОСТ Р 8.654-2009 (ГОСТ Р 8.654-2015) установлены требования к опорному ПО: - документации; - разделению программного обеспечения; - идентификации программного обеспечения; - защите программного обеспечения и данных; - интерфейсу пользователя; - синхронизации данных и обнаружению потерь; - структуре Ethernet кадра для приема SV сообщений. 18 Приведено описание опорного программного продукта, его функций и интерфейсов. Описана процедура оценки вычислительных возможностей программных продуктов с использованием опорного ПО. (тестирование проводилось на реальных массивах данных измерений, полученных от компаний ООО «Систел», ООО «Компания ДЭП» и ООО «ЭнергопромАвтоматизация», а также генераторах цифровых SV сообщений Volcano и iMerge). Описаны этапы проведения оценки, структурная схема (Рисунок 6) испытательного стенда и результаты испытаний Таблица 2 Рисунок 6 Структурная схема испытательного стенда Таблица 2 ООО «Теквел», Volcano, SV80 IA = 1000 А UA = 63500 В ωA = 50 Гц ϕA0= 1.047197551 рад ООО «Теквел», IMerge, SV80 IA = 1000 А UA = 110000 В ωA = 50 Гц ϕA0 = 0,5235987760 рад ООО «Компания ДЭП», SV 80 IA = 5 А UA = 100 В ωA = 50 Гц ϕA0 = 1,832595715 рад ООО «Систел», SV 256 UA = 220 В ωU = 50 Гц ϕU0 = 1,570796327 рад ООО «Систел», SV80 UA = 220 В ωU = 50 Гц ϕU0 = 1,570796327 рад Опорное ПО IA = 999,999593 А UA = 63499,994968 В ωA = 49,999999999998806 Гц ϕA0 = 1.046878141 рад Относительное расхождение, % 0.00004070001656447 0.00000792441007826 0.00000000000240163 0.03051071442706810 IA = 999,999593 А UA = 109999,996102 В ωA = 50,000000000009479 Гц ϕA0 = 0,5231536660 рад 0,00004070001656447 0,00000354363648502 0,00000000001880096 0,08508207605679400 IA = 4,998652 А UA = 100,010244 В ωA = 49,997491649562726 Гц ϕA0 = 1,832985405 рад 0,02696727037609590 0,01024295071212920 0,00501695256010878 0,02125983103968060 UA = 219,995601 В ωU = 50,000000004993794 Гц ϕU0 = 1,5707963286 рад 0,00199958543716812 0,00000000998740290 0,00000010185915775 UA = 219,895029 В ωU = 50,0000009633535 Гц ϕU0 = 1,5707963335 рад 0.04773686812174650 0.00000192670696304 0.00000041380284210 Для задач оценки качества подбора значений модельно-зависимых параметров при применении моделей интерполяции в опорном ПО было предложено использовать метод кросс-валидации в совокупности с количественным критерием оценки качества. Метод основан на проведении оценки для части данных, выбранных из основного набора по остальным данным с последующим вычислением ошибки оценки. После оценок по всем наборам или выборкам оценивается среднее значение полученных оценок. По нему сравниваются различные методы или выбираются наилучшие параметры модели. Процедура кросс-валидации сводится к следующему: Исходная выборка разбивается N различными способами на две, где: непересекающиеся подвыборки - обучающая подвыборка длины m, - контрольная подвыборка длины k = L- m, n=1,…,N - номер разбиения. Далее, для каждого разбиения n строится алгоритм, где наборы параметров модели вычисляется значение функционала качества. В качестве количественного критерия оценки качества используется относительное расхождение между параметрами модели, описывающими на n-ом разбиении обучающую и контрольную подвыборки. На примере генератора SV сообщений, разработанного компаний ООО «Компания ДЕП», было продемонстрировано применение метода K-кратной кросс-валидации (Рисунок 7) для оценки качества подбора значений модельнозависимых параметров при разработке опорного ПО для тестирования ПО СИ цифровых подстанций. Блок 1 Блок 2 … Блок K-1 … Блок K Контрольная Обучающая подвыборка Точность подвыборка Шаг 1 Блок 1 Блок 2 … … Блок K-1 Блок K Q1 Шаг 2 Блок 1 Блок 2 … … Блок K-1 Блок K Q2 . . . . . . . . . . . . Шаг K-1 Блок 1 Блок 2 … … Блок K-1 Блок K QK-1 Шаг K Блок 1 Блок 2 … … Блок K-1 Блок K QK Итоговая оценка точности 20 На основании проведенных испытаний сделаны выводы о правильности реализации опорного ПО и его пригодности для использования в качестве инструмента при подтверждении соответствия ПО. ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Проведенные исследования показали возможность и целесообразность применения новым методов тестирования СИ, в частности его программной составляющей с целью обеспечение доверия к результатам измерений, полученными средствами измерений. Изучение литературных источников, нормативной и технической документации показали перспективность создание новых технических и нормативно-методических решений, обеспечивающих повышение качества испытаний СИ и его программной составляющей. В результате проведенных исследований был обоснован оптимальный набор требований к ПО СИ и разработана рекомендация по метрологии Р 50.2.077-2014, отражающая особенности национального подхода к тестированию программного обеспечения технических средств, входящих в сферу государственного регулирования в области обеспечения единства измерений и максимально гармонизированная с международными рекомендациями, относящимися к программному обеспечению средств измерений. Кроме того, были разработаны два национальных стандарта ГОСТ Р 8.6542015, ГОСТ Р 8.883-2015 и ряд методик института, устанавливающих требования к ПО СИ цифровых подстанций. Обоснована возможность применения критерия Колмогорова для оценки качества ПО СИ для задач, связанных с отбраковкой неадекватных модельных функций. Был разработан и опробован метод проверки программного обеспечения, основанный на использовании метода кросс-валидации и количественного критерия оценки качества ПО. Было разработано «опорное» ПО для целей тестирования ПО СИ, осуществляющих генерацию и/или передачу выборок результатов измерений мгновенных значений измерений тока и напряжения в соответствии с стандартом МЭК 61850-9-2LE. Разработка и тестирование «опорного» ПО осуществлялась с учетом требований к ПО СИ. Результаты испытаний «опорного» ПО отражают правильность его реализации и пригодность для использования в качестве инструмента при подтверждении соответствия ПО СИ. Тестирование и опробование «опорного» ПО проводилось на реальных массивах данных измерений, полученных от компаний ООО «Систел», ООО «Компания ДЭП» и ООО «ЭнергопромАвтоматизация». Разработанные рекомендации, стандарты и методики успешно используются при разработке ПО СИ и проведении испытаний СИ с целью утверждения типа. «Опорное» ПО применяется как инструмент тестирования ПО в рамках работ, проводимых в СДС ПО СИ ФГУП «ВНИИМС». 3. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации: 1. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Структура и особенности Руководства WELMEC 7.2 (The Structure and Features of Guidance WELMEC 7.2) // Измерительная техника. 2008. №5. C. 69 – 72, 2. Козлов М.В., Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Тестирование программного обеспечения средств измерений и информационно-измерительных систем // Приборы. 2009. №3, 3. Паньков А.Н. Подтверждение соответствия программного обеспечения. Сертификация и аттестация программного обеспечения. Система добровольной сертификации программного обеспечения // Приборы. 2015. №1. C. 26 – 28, 4. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Новая редакция рекомендаций по метрологии Р 50.2.077-2014 // Приборы. 2015. №1. C. 29 – 33, 5. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Критерии оценки адекватности аппроксимирующих функций в методе калибровочных кривых // Измерительная техника. 2015. №7. C. 43 – 46. Публикации в иных рецензируемых научных изданиях: 6. Дудыкин А.А., Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Проблемы аттестации встроенного программного обеспечения средств измерений // Законодательная и прикладная метрология. 2007. №4 C. 22 – 26. 7. Акимов А.А., Козлов М.В., Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н., Раевский И.А., Стефанов А.Ю., Стефанов Ю.В. Стенд для тестирования (испытаний) программного обеспечения средств измерений // Законодательная и прикладная метрология. 2008. №6. C. 25 – 27. 8. Бурдунин М.Н., Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Оценка качества ПО счетчика - расходомера РМ-5 и счетчика количества теплоты КМ-5 // Главный метролог. 2007. №3. C. 32 – 39. 9. WELMEC 7.2. Руководство по программному обеспечению (основано на Директиве по измерительным приборам 2004/22/EC). – М.: АНО «РСККонсалтинг», 2009. – 183 с. 10. Акимов А.А., Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Еще раз о проверке программного обеспечения средств измерений в целях утверждения типа // Законодательная и прикладная метрология. 2011. №2. C. 38 – 43. 11. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Новая редакция рекомендации по метрологии Р 50.2.077-2013 // Законодательная и прикладная метрология. 2014. №2. C. 13 – 16. 12. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Критерии выбора аппроксимирующих функций в методике градуировочных характеристик (Criteria for selection of 22 approximating functions in the method of calibration curves) // Законодательная и прикладная метрология. 2014. №6. C. 22– 27. 13. Кудеяров Ю.А., Паньков А.Н. Criteria for Assessing the Adequacy of Approximating Functions in the Method of Calibration Curves // Measurement Techniques, издательство Instrument Society of America (United States), том 58, №7 14. Кудеяров Ю.А., Паньков, Стефанов Ю.В. Аттестация программного обеспечения средств измерений // Компетентность. 2009. №3. C. 22 – 28. 15. Ю.А. Кудеяров, А.Н. Паньков. Испытания ПО СИ методом перекрестной проверки (кросс-валидации). Главный метролог, №6, 2016, 12-14. 16. В.В. Киселев, Ю.А. Кудеяров, А.Н. Паньков Нормативные основы тестирования технических средств, осуществляющих передачу мгновенных значений измерений в соответствии с серией стандартов МЭК 61850 (ФГУП «ВНИИМС»). Журнал Законодательная и прикладная метрология. №6, 2015. С. 18-24

В настоящие время в лабораторных и стендовых испытаниях применяют следующие способы проведения испытаний:

Последовательный;

Параллельный;

Последовательно-параллельный;

Комбинированный.

При последовательном способе проведения испытаний один и тот же объект испытаний последовательно подвергается всем предусмотренным программой видам испытаний. Исключение составляют испытания при воздействии большинства химических и биологических ВВФ. Эти испытания проводят на различных выработках. Важнейшим условием проведения последовательных испытаний является соблюдение определенного порядка воздействия внешних факторов. Для скорейшего выявления потенциально ненадежных образцов и, следовательно, сокращения времени испытаний предусматривают такую последовательность ВВФ, при которой вначале действуют наиболее сильно влияющие на данный объект ВФ. Однако при этом теряется большая часть информации о влиянии других факторов, которая могла быть получена при их воздействии. Поэтому чаще на практике рекомендуется начинать испытания с воздействия на ЭС наименее жестких внешних факторов. Но при этом значительно увеличивается время проведения испытаний. Как видно, последовательность проведения испытаний ЭС играет важную роль. Поэтому для каждого вида ЭС устанавливается своя последовательность, которая указывается в ТУ или программе испытаний.

Характерной особенностью последовательного способа проведения испытаний является наличие эффекта накопления деградационных изменений в физической структуре объекта испытаний по мере перехода от одного внешнего ВФ к другому, в результате чего каждое воздействие предыдущего фактора оказывает влияние на результат испытаний при воздействии последующего, что, в свою очередь, усложняет интерпретацию результатов испытаний.

При параллельном способе проведения испытаний образец подвергается одновременному воздействию различных ВФ одновременно (параллельно) на нескольких выборках. Такой способ позволяет получить больший объем информации за более короткий промежуток времени, чем последовательный способ. Однако параллельный способ требует значительно большего числа испытываемых изделий, чем последовательный.

Последовательно-параллельный способ является компромиссным между последовательным и параллельным. Он позволяет в каждом конкретном случае более эффективно использовать преимущества того или иного способа. При последовательно-параллельном способе все изделия, отобранные для испытаний, разбиваются на несколько групп, которые испытываются параллельно. В каждой из групп испытания проводят последовательно. В данном случае все испытания должны быть разбиты на группы, число которых равно числу испытуемых групп. По своему составу группы испытаний должны формироваться так, чтобы, с одной стороны, продолжительность испытаний во всех группах была примерно одинаковой, а с другой, чтобы условия проведения объединенных в группу видов испытаний были близки к реальным.

Рассмотрим пример группирования различных видов испытаний при последовательно-параллельном способе их проведения .

Однако каждый из рассмотренных способов проведения испытаний предусматривает раздельное воздействие на объект ВФ, что является существенным отличием от реальных условий эксплуатации.

При комбинированном способе проведения испытаний на объект испытания одновременно воздействуют несколько внешних факторов (в основном, два).

Выбор сочетаний совместных воздействий различных факторов на испытываемое ЭС может производиться в соответствии с таблицей 6.1.

Основной причиной ограничения применения комбинированного способа проведения испытаний является отсутствие необходимого оборудования, а также сложность и дороговизна их проведения.

В заключение следует отметить, что многообразие разрабатываемой и выпускаемой аппаратуры не позволяет дать однозначной рекомендации по выбору способа и порядка проведения испытаний. Но можно с полной уверенностью сказать, что выбор того или иного алгоритма проведения испытаний должен проводиться исходя из условий его последующей эксплуатации, чтобы в процессе испытаний механизм отказов усиливался и все потенциально ненадежные образцы были обязательно выявлены.

Планирование испытаний

Проведению испытаний предшествует этап планирования, по результатом которого устанавливается необходимая совокупность данных о видах испытаний, об объемах испытуемых партий (выборок или проб), о нормах и допусках на контролируемые параметры и правила принятия решений.

Планирование испытаний имеет целью оптимизировать эксперимент по оценке (контролю) свойств ЭС. Такая оптимизация проводится по двум основным критериям, это - достоверность (точность) оценки свойств или экономическая эффективность испытаний.

В результате планирования испытаний необходимо ответить на следующие вопросы:

Целесообразно ли проводить испытания;

Какие должны быть характеристики плана испытаний.

Таблица 6.1

Целесообразность проведения испытаний определяют исходя из ожидаемого экономического эффекта.

Известно, что с ростом затрат на обеспечение качества (затраты на испытания, включая затраты на контроль) растет уровень качества и снижаются потери от брака и отказов. В связи с этим каждому показателю качества соответствует определенное соотношение между затратами, при которых введение испытаний экономически оправдано.

Пусть введение испытаний позволяет уменьшить число отказов у потребителя за определенный период на Dn, при этом у изготовителя число забракованных изделий возросло на Dn. При стоимости отказа С 0 (затраты на обнаружение отказа, ремонт, потери в результате простоя на ремонте, расходы на ликвидацию последствий отказа), стоимости изготовления одного отказавшего изделия С изг и стоимости испытаний С исп экономически оправдано введение испытаний при

DnC 0 /(DNC изг +С исп)>1, (1)

где DN – рост числа забракованных изделий.

Необходимые для оценки по формуле (1) первоначальные данные могут быть получены по результатам анализа экономических параметров предшествующих образцов или конструктивно-технологических аналогов.

Определив целесообразность проведения испытаний, приступают к их непосредственному планированию, в ходе которого разрабатывается программа испытаний и определяются характеристики плана испытаний.

Программа испытаний является основополагающим документом для проведения испытаний на стадии разработки и производства.

Программы испытаний различают по определяемым характеристикам ЭС. Они могут быть предназначены для проведения функциональных испытаний и испытаний на надежность. При разработке программ функциональных испытаний нужно предусмотреть, что их результатом является определение показателей качества и, главным образом, определение технических характеристик изделий, а при составлении программ испытаний на надежность, главным является общая оценка случайного события результата испытаний: положительный исход или отказ, а также установление времени работы до отказа.

Также следует различать программы испытаний, проводимые на стадиях разработки и производства, т.к. их задачи различаются.

Правильная организация испытаний на начальном этапе разработки ЭС позволяет сократить время на разработку данного ЭС. Это достигается за счет осуществления следующих мероприятий:

Проведения лабораторных испытаний прототипов разрабатываемых изделий с целью выдать проектировщикам данные и характеристики по результатам испытаний для построения математических и физических моделей и их дальнейшего исследования;

Проведения лабораторных корреляционных испытаний макетов в целях использования результатов для сравнения с данными, полученными в процессе математического моделирования и внесения необходимых поправок в модель;

Уточнения в процессе лабораторных испытаний правильности задания внешних воздействий и проверки на модели уточненных значений сигналов, имитирующих внешние воздействия;

Выявление в процессе лабораторных испытаний нерешенных проблем.

По результатам испытаний на стадии разработки должны быть даны рекомендации по усовершенствованию принципиальных схем и конструкций ЭС.

Основанием для разработки программы испытаний являются ТУ или ТЗ на ЭС. Программа испытаний должна предусматривать решение следующих основных задач.

1. Выбор объекта испытаний проводится на основе классификации изделий по функционально-конструктивному признаку (классы деталей, узлов, приборов, комплексов и систем) С точки зрения испытаний все классы изделий можно разделить на две группы:

Низшая группа включает в себя изделия, не имеющие самостоятельного эксплуатационного назначения (детали, узлы и блоки). Высшая группа соответственно содержит в себе изделия, имеющие самостоятельное эксплуатационное назначение.

Решение о проведении испытаний для низшей или высшей группы принимается конкретно для каждого случая.

Испытания изделий низшей группы позволяет применять более простое, дешевое и менее объемное испытательное оборудование. При таких испытаниях оказывается возможным быстро обнаружить слабые места конкретного изделия, так как на испытуемое изделие в процессе испытаний не оказывают влияния взаимодействующие с ним элементы. При этом возможно более быстрое принятие мер по усовершенствованию изделий и устранению обнаруженных неисправностей.

Испытания изделий высшей группы обеспечивают получение результатов, учитывающих взаимодействие различных узлов и блоков при меньшем числе образцов и за более короткое время.

В зависимости от класса изделий в программе испытаний может быть предусмотрена замена отказавших элементов в процессе испытаний.

2. Определение назначения (цели) испытаний , которое зависит от того, на какой стадии «жизненного» цикла изделия предполагается проводить испытания и какие характеристики изделия представляют интерес. В зависимости от стадии жизненного цикла изделия выбирают условия и место проведения испытаний.

Очевидно, что на стадии разработки, когда осуществляются исследовательские испытания, наиболее вероятным является проведение лабораторных испытаний. Однако в некоторых случаях возможно осуществление и полигонных испытаний.

На стадии производства также наиболее широкое применение получили лабораторные испытания. При этом возможно проведение стендовых, полигонных и даже эксплуатационных испытаний.

3. Выбор состава видов испытаний на воздействие внешних факторов осуществляется на основании требований, предъявляемых НТД на изделие, а также стандартов, предусматривающих перечень видов испытаний для изделий, предназначенных для эксплуатации только в районах с тропическим или холодным климатом. Выбирая виды испытаний, необходимо учитывать их различие не только по виду воздействующего фактора, но и по методу и режиму проведения. Важно определить, какие виды испытаний объединить для проведения комбинированных испытаний. В случае испытаний на стадии разработки следует установить, какие виды испытаний можно моделировать, а какие необходимо осуществлять с применением средств испытаний. Решение этого вопроса зависит от наличия испытательного оборудования, стоимости испытаний и от наличия высококвалифицированного персонала.

4. Оценка условий и места проведения испытаний зависит от стадии жизненного цикла изделия, а также от его технических особенностей. Очевидно, что на стадиях разработки и производства наибольшее применение имеют лабораторные, стендовые и полигонные испытания. Натурные и эксплуатационные - могут быть реализованы в целях получения необходимых данных для усовершенствования изделия.

5. Выбор испытательных режимов проводится в соответствии с действующими НТД на испытуемое изделие. На практике пользуются тремя видами норм на значения параметров испытательных режимов:

Предельные нормы;

Испытательные нормы;

Эксплуатационные нормы.

Предельные нормы это нормы, на которые рассчитывают изделия, приводятся в техническом отчете, и по ним испытания не проводятся.

Испытательные нормы , характеризуемые степенями жесткости, значения которых зависят от климатического и механического испытания изделия, указываются в ТУ. Испытательные нормы отличаются от предельных на величину производственного допуска. По ним проводятся испытания в процессе производства.

Эксплуатационные нормы ниже испытательных, указываемых в ТУ. В соответствии с эксплуатационными нормами разрешается эксплуатация изделий, и по ним проводятся испытания в процессе эксплуатации.

6. Определение контролируемых параметров испытуемых изделий, их значений и допустимых пределов отклонений осуществляется при различных внешних воздействиях. Одновременно должен быть определен перечень других показателей качества, которые подлежат контролю, а также допустимые пределы отклонения их значений в процессе испытаний. Также должны быть указаны режимы работы испытуемых изделий в процессе испытаний и продолжительность работы в данных режимах. Для контроля состояния ряда изделий необходимо уделять большое внимание визуальному осмотру и осуществлению методов неразрушаемого контроля.

7. Установление продолжительности каждого вида испытаний зависит от назначения (цели) испытаний, а также от определяемых характеристик изделия. При проведении функциональных испытаний продолжительность испытаний обычно задается НТД. Однако необходима разработка методик расчета продолжительности испытаний в зависимости от условий и продолжительности реальной эксплуатации. При испытаниях на надежность в основу разработки должны быть положены вероятностные и статистические методы, позволяющие обеспечить научно обоснованное планирование испытаний и оценку результатов. При этом продолжительность испытаний зависит от времени наработки на отказ для восстанавливаемых изделий и средней наработки на отказ для невосстанавливаемых изделий (в таком случае она может быть определена расчетным путем). Также следует установить, какова должна быть продолжительность испытаний в зависимости от того, планируется ли проведение нормальных, ускоренных или сокращенных испытаний.

8. Выбор последовательности (способа) проведения испытаний является одним из основных элементов программы испытаний - в ряде случаев может предусматриваться в НТД на изделие. В принципе, для обеспечения достоверности испытаний при выборе последовательности их проведения следует исключать сочетания воздействий ВФ, не соответствующих условиям эксплуатации.

9. Оценка общей продолжительности испытаний на все виды воздействия проводится на основании установленных ранее продолжительностях каждого вида испытаний и последовательности их проведения. При этом в случае выбора параллельно-последовательного способа может возникнуть необходимость пересмотра видов испытаний, включенных в параллельные группы для выравнивания общей продолжительности испытаний во всех группах.

10. Определение количества испытуемых изделий, так же как и установление продолжительности каждого вида испытаний, зависит от назначения (цели) испытаний и определяемых характеристик. Только при испытаниях на надежность число испытуемых изделий может быть определено расчетным путем при условии, что заданы вероятность безотказной работы, риск заказчика и поставщика, а также закон распределения отказов. Принято считать, что для восстанавливаемых изделий внезапные и постепенные отказы следуют экспоненциальному закону, а для невосстанавливаемых – биноминальному закону. Установив количество изделий, необходимых для испытаний, следует отобрать их из числа проверенных ОТК и в специальном документе указать номера.

11. Установление периодичности (срока) проведения испытаний изделий зависит от того, к какой группе они принадлежат. Периодичность проведения испытаний изделий низшей группы обычно больше, чем у высшей группы изделий, но в обоих случаях она зависит от вида производства и количества изделий, выпускаемых за контролируемый период. Периодичность испытаний следует указывать в ТУ на изделие; отбор изделий для испытаний осуществляется в порядке, предусмотренном в ТУ, из числа прошедших приемо-сдаточные испытания.

12. Выбор средств испытаний и определение характеристик приспособлений для установки испытуемых изделий в климатические камеры и на столах стендов для механических испытаний, в зависимости от конструкции, габаритных размеров и массы испытуемых изделий, проводится с учетом всех запланированных видов испытаний, а также требований к испытательным режимам и допускам на них. От качества приспособлений существенно зависит достоверность результатов испытаний. Для некоторых изделий приспособления унифицированы, и на них имеются НТД. В принципе необходимо, чтобы для изделий одного типа при испытаниях на различных предприятиях использовались одинаковые приспособления. Это обеспечивает идентичность условий проведения испытаний и повышает достоверность при проведении сравнения результатов испытаний.

13. Выбор средств измерений, используемых для контроля значений параметров изделий с заданными допусками, производимого до испытаний, во время них и после испытаний, завершается оформлением перечня с указанием их типов. Результаты этого контроля являются основными критериями оценки качества испытуемых изделий.

14. Разработка требований автоматизации процесса испытаний, регистрации и обработки результатов испытаний предусматривает применение ЭВМ, позволяющих обеспечить управление процессом испытаний, сбор измерительной информации, обработку сигналов, интерпретацию данных испытаний с представлением результатов в удобной форме, а также динамическое моделирование процессов испытаний. Для реализации перечисленных функций ЭВМ должна быть оснащена соответствующим программным обеспечением. При необходимости возможно совместное применение ЭВМ и средств измерений (например ЭВМ и газоанализатор, ЭВМ и самопишущий вольтметр и т.д.).

15. Метрологическое обеспечение процесса испытаний, реализуемое аттестацией всего испытательного оборудования и проверкой средств измерения значений параметров испытательных режимов и испытуемых изделий. Для осуществления аттестации должны использоваться специально предусмотренные НТД средства измерения, обладающие требуемыми точностными характеристиками. Аттестация должна осуществляться с заданной периодичностью.

Проведение испытаний предусматривает соблюдение правил техники безопасности и производственной санитарии . Наряду с общими требованиями, излагаемыми в соответствующих НТД, для различных видов испытаний должны предусматриваться специальные требования, приводимые в методиках испытаний.

В программе испытаний следует указать организацию, которая должна проводить испытания, и организации, участвующие в испытаниях. Помимо всего, в программе испытаний должно предусматриваться материально-техническое обеспечение испытаний, в том числе перечень и сроки поставок испытуемых изделий.

Кроме того, в программе испытаний указываются:

Состав участников испытаний;

Порядок их доступа к проведению испытаний;

Распределение обязанностей по проведению испытаний и составлению отчетной документации.

В заключение должны приводиться требования к отчетности и формулировка рекомендаций о дальнейшем использовании испытуемых изделий. При этом указываются критерии, которыми следует руководствоваться при решении вопроса об использовании испытуемого изделия после завершения всей программы испытаний (списание и уничтожение, ремонт и техническое обслуживание с последующим применением по прямому назначению с ограничениями или без).

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

РАЗРАБОТАНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам ИСПОЛНИТЕЛИ

В.Ф. Курочкин, А.И. Кубарев, Е.И. Бурдасов, И.З. Аронов, Ж.Н. Буденная, К.А. Криштоф, Н.А. Сачкова, Т.Н. Дельнова, А.И. Кусков, Р.В. Кугель, В.П. Важдаев, К.И. Кузьмин, Л.Я. Подольский, Л.П. Лозицкий, А.Н. Ветров, В.Ф. Лопшов, В.Н. Любушкина, В.К. Медвежникова

Утверждены Постановлением Госстандарта от 10 октября 1983 г. № 4903, срок введения установлен с 1 января 1985 г.

Настоящие методические указания распространяются на изделия машиностроения и приборостроения и устанавливают основные принципы ускорения испытаний на надежность, которые рекомендуется применять при разработке нормативно-методической (программы и методики) и технической (испытательное оборудование) основ системы государственных испытаний продукции по ГОСТ 25051.0-81.

Основные понятия в области ускоренных испытаний на надежность и их определения приведены в справочном приложении.

1 . ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Принцип или сочетание принципов ускорения испытаний на надежность устанавливают в типовых программах и методиках головные организации по государственным испытаниям для закрепленных за ними видов изделий или по их поручению разработчик продукции.

1.2. Установленные по п. 1.1 принципы ускорения должны применяться при разработке методов испытаний на надежность для включения в конструкторские (ПМ, ТУ) и нормативно-технические (стандарты вида ОТУ, ТУ, методов испытаний) документы на конкретные виды изделий.

1.3. Выбор принципа или сочетания принципов ускорения испытаний на надежность должен обеспечить максимальное возможное сокращение продолжительности испытаний с воспроизведением отказов при их наличии в последовательности и номенклатуре, характерных для нормальных условий испытаний.

сокращения перерывов в работе;

исключения холостых ходов;

устранения простоев;

сокращения времени на вспомогательные работы;

исключения нерабочих климатических периодов и т.п.

Коэффициент пересчета показателей надежности, выраженных через календарную продолжительность, определяют по методу равных вероятностей (черт. 1), который заключается в следующем. На стадии предварительных исследований берут две случайные выборки из одной и той же партии изделий. Одна из них испытывается в нормальных условиях, другая - в режиме ускоренных испытаний. В процессе испытаний фиксируются моменты отказа изделий. По полученным экспериментальным данным находится функция K 1,p (см. черт. 1 ) как геометрическое место точек, соответствующих равным квантилям р. Чтобы убедиться, что функция K 1,p , будет инвариантом производства, необходимо повторить эксперимент на нескольких партиях. При наличии функции K 1,p результаты ускоренных испытаний любой другой выборки приводятся к нормальным условиям.

Если же показатель надежности подсчитывают по наработке, то коэффициент пересчета равен единице.

Пересчет показателей надежности по методу равных вероятностей

С и С* - срок службы при нормальных и ускоренных испытаниях, соответственно; Р - вероятность недостижения предельного состояния; K 1,p - функция пересчета

2.2.2. Экстраполяцию по наработке осуществляют на основе модели отказов, параметры которой оценивают по результатам усеченных испытаний.

Различают модели отказов, основанные на изучении закономерности изменения выходных параметров и статистики отказов изделия.

2.2.2.1. Параметрическая модель (вариант) представлена на черт. 2 . Здесь вероятность отказа F (t ) определяется характером изменения выходного параметра X . В начальный момент (t= 0) для выборки изделий объемом N имеет место рассеивание выходного параметра f (X 0) относительно среднего значения X 0 . По мере увеличения наработки выходной параметр изменяется в соответствии с протеканием деградационных процессов. В общем случае существенное изменение параметра X может начаться после некоторой наработки t в и протекать со случайной скоростью, изменяющейся во времени, v x = dx/d t. Измеряя выходной параметр изделий в момент усечения испытаний t y , можно получить плотность распределения значений выходного параметра f (x,t ), которая определяет вероятность выхода параметра X за границу Х max , т.е. вероятность отказа F (t ) = 1 - P (t ).

2.2.2.2. Цензурированная модель основана на регистрации моментов отказов до усечения испытаний, что приводит к получению выборки, представляющей собой наработки всех N объектов испытаний как отказавших, так и оставшихся работоспособными.

Различают цензурирование двух типов:

тип I - прекращение испытаний при заданной наработке;

тип II - при заданном количестве отказов.

Параметрическая модель (вариант)

X - ?(t ) - выходной параметр изделия; Х max - предельное допустимое значение выходного параметра; f (X 0) - плотность распределения выходного параметра в начале испытаний; t в - начало старения, износа и т.д.; f (t ) - плотность распределения наработок до отказа; F (t ) = 1 - P (t ) - вероятность отказа; f (x,t ) - плотность распределения выходного параметра; f (v x) - плотность распределения скорости изменения выходного параметра; t - наработка; t у - момент усечения испытаний

2.2.2.3. Коэффициент ускорения испытаний при экстраполяции по наработке

где C N,N - продолжительность испытаний, соответствующая наработке t N,N - последнего образца в упорядоченной выборке объема N ;

C r,N - то же, для r -го образца;

С у - то же, для момента усечения;

М - оператор математического ожидания.

Коэффициент пересчета показателей надежности, выраженных через наработку, равен единице. Если показатель надежности подсчитывают по календарной продолжительности, то коэффициент пересчета определяют по методу равных вероятностей (см. черт. 1 ).

2.3. Ускорения испытаний в форсированном режиме достигают интенсификацией деградационных процессов. Различают две группы принципов форсирования испытаний, отличающиеся способом пересчета их результатов на нормальные условия;

требующие предварительного определения коэффициента пересчета;

позволяющие оценивать результаты испытаний без предварительного определения коэффициента пересчета.

2.3.1. К группе принципов, требующих предварительного определения коэффициента пересчета, относят:

усечение спектра нагрузок;

повышение скорости приложения нагрузок;

принцип сравнения.

2.3.1.1. Усечение спектра нагрузок заключается в исключении части нагрузок, не оказывающих заметного повреждающего действия (в чем следует предварительно убедиться) на объект испытаний, что приводит к повышению среднего уровня нагрузок и, следовательно, более быстрому исчерпанию ресурса.

Частным случаем усечения спектра нагрузок является исключение установившейся части рабочего цикла (режим «пуск-остановка», «разгон-торможение» и т.п.), т.е. работа в неустановившемся режиме.

2.3.1.2. Повышение скорости приложения нагрузок осуществляется на основе увеличения частоты циклического нагружения или скорости движения под нагрузкой. Предварительно убеждаются, что увеличение частоты нагружения (усталость) или скорости скольжения (износ) не искажают природу отказов.

2.3.1.3. Принцип сравнения основан на использовании данных об аналогичных изделиях. В зависимости от имеющейся информации оценка надежности изделий производится следующими способами:

сравнением показателей надежности двух видов изделий по результатам только форсированных испытаний;

сравнением показателей надежности изделия в форсированном режиме с результатами испытаний в этом и нормальном режимах изделия-аналога;

пересчетом результатов испытаний изделия в форсированном режиме к нормальному режиму по имеющейся зависимости показателей надежности от уровня нагрузки.

2.3.2. К группе принципов, не требующих предварительного определения коэффициента пересчета, относят:

экстраполяцию по нагрузке;

принцип «доламывания»;

принцип запросов.

2.3.2.1. Примерами принципа экстраполяции по нагрузке служат методы оценки предела выносливости (методы Шварева, Штромейера, Муратова, Про, Нэдэшана и т.д.). При использовании методов экстраполяции необходимо уделять серьезное внимание достоверности определения параметров зависимостей, правомерности выбора их вида, оценке допустимых пределов экстраполяции и выбору интервала варьирования переменных в эксперименте.

2.3.2.2. Принцип «доламывания» заключается в следующем. Изделия, имеющие различную наработку в нормальном режиме, доводят до отказа (предельного состояния) в форсированном режиме. В форсированном же режиме определяют показатели надежности новых изделий (не имеющих наработки в нормальном режиме). На основании этих сведений определяют показатели надежности в нормальном режиме, используя подходящую теорию накопления повреждений. Возможна и другая последовательность нагружения - сначала в форсированном, затем - в нормальном режимах.

2.3.2.3. Принцип запросов применяется в случаях, когда возможно измерение выходного параметра, выход которого за допустимые пределы означает отказ. В ходе испытаний нормальные и форсированные режимы нагружения чередуются.

2.3.3. Коэффициент ускорения испытаний подсчитывается по формуле (1 ), где C N,N * означает продолжительность форсированных испытании.

Коэффициенты пересчета показателей надежности определяют по методу равных вероятностей.

Для элементов изделия, испытываемого в нескольких различных нормальных и форсированных режимах (например, для обеспечения «синхронности» накопления повреждений), коэффициент пересчета показателей надежности (типа «средний») определяется по формуле

(3)

где? i , ? j - доли наработки в i -м нормальном и j -м форсированном режимах, соответственно;

K ji = 1 / K ij - коэффициент пересчета от j -го форсированного режима к i -му нормальному;

K i - коэффициент пересчета от комплексного форсированного режима к i -му нормальному;

K j - коэффициент пересчета от j -го форсированного к комплексному нормальному.

Из (3 ) вытекают два часто применяемых частных случая:

когда нормальный режим один, а форсированных несколько, и

,

когда нормальных режимов несколько, а форсированный только один.

2.4. Перечисленные принципы ускорения испытаний могут быть использованы как индивидуально, так и в любом сочетании. Если взаимное влияние принципов отсутствует, то коэффициент ускорения при их совместном применении

где K q - коэффициент ускорения испытаний при использовании q- го принципа;

Количество использованных принципов.

3 . ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УСКОРЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

3.1. Контрольные испытания, целью которых является подтверждение нормированных показателей надежности, осуществляют по методам:

доверительных интервалов (одно- или двусторонних);

сравнения тотечных оценок и дисперсий показателей надежности;

статистического приемочного контроля.

3.2. Для двух первых методов используют принципы ускорения и коэффициенты ускорения и пересчета, изложенные в разд. 2 .

3.3. При статистическом приемочном контроле используют принципы ускорения, изложенные в разд. 2 . Коэффициент ускорения испытаний

где С н - продолжительность нормальных испытаний;

С у - продолжительность ускоренных испытаний.

4 . ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Ускорение испытаний, как правило, основано на использовании априорных сведений о надежности объекта испытаний. Для получения этих сведений необходимо провести предварительные исследования, включающие в общем случае следующие этапы:

исследование условий работы изделия;

исследование эксплуатационной нагруженности изделия;

исследование надежности в эксплуатации;

изучение характера и причин отказов;

выбор принципа ускорения, условий и режимов испытаний;

выбор, а при необходимости, разработка и создание испытательного оборудования;

проведение ускоренных испытаний на надежность;

анализ результатов предварительных исследований, установление их адекватности, сопоставление с результатами эксплуатационных наблюдений, разработка модели отказов и определение функции пересчета на нормальные условия.

4.2. Исследование условий работы изделия заключается в рассмотрении существующих вариантов использования изделия с целью выбора типичных условий его эксплуатации и установления их статистических характеристик.

4.3. Исследование эксплуатационной нагруженности элементов изделия следует проводить как в типичных, так и экстремальных условиях эксплуатации по ГОСТ 23603-79, ГОСТ 23604-79 и ГОСТ 23605-79.

4.4. Результаты исследования надежности в эксплуатации должны быть увязаны с результатами работ по пп. 4.2 и 4.3 общностью условий эксплуатации.

4.5. На основании совместного анализа нагруженности элементов изделия, характера и причин их отказов выбирается один или сочетание нескольких принципов ускорения испытаний.

4.6. Объектами предварительных исследований выбирают изделия серийного производства, а результатом разработки является методика, распространяющаяся на группу однородных изделий, в которую входят упомянутые серийные изделия. Приемлемость методики для изделий других типов, в том числе и новых, должна быть подтверждена анализом различий объектов или условий их эксплуатации. При этом возможна корректировка ранее разработанной методики.

4.7. Количество объектов для предварительных исследований должно быть выбрано из условия получения коэффициента пересчета на нормальные условия, обеспечивающего выполнение требований п. 1.4 .

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочное

ТЕРМИНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НАСТОЯЩИХ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЯХ, И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ускоренные испытания изделий машиностроения на надежность. Вып. 2. - М: Изд-во стандартов, 1969.

Проников А.С., Дунин-Барковский И.В. Классификация методов испытаний машин на надежность. - Надежность и контроль качества, 1969, № 1, с 10 - 24.

Перроте А.И., Карташов Г.Д., Цветаев К.Н. Основы ускоренных испытаний радиоэлементов на надежность. - М.: Советское радио, 1968.

Методические вопросы исследований прочности деталей тракторов и других самоходных машин. / Труды НАТИ, вып. 195. М., НАТИ 1968.

Ускоренные испытания на надежность. Стендовые испытания траншейных экскаваторов / Труды ВНИИНМАШ, вып. 10. - М.: Изд-во стандартов, 1974.

Бурдасов Е.И., Кисиль В.В. Метод оценки эксплуатационной долговечности амортизаторов подвески силового агрегата автомобиля. - Каучук и резина. 1974. № 7, с. 29 - 31.

Яценко Н.Н., Шалдыкин В.П. Оптимальное планирование испытаний на автополигоне. - Автомобильная промышленность, 1974, № 7, с. 14 - 17.

Анилович В.Я., Сычев И.П. К определению коэффициента перехода от результатов стендовых испытаний к результатам испытаний в эксплуатационных условиях. - Вестник машиностроения, 1969, № 6, с. 28 - 30.

Величкин И.Н., Кугель Р.В., Дмитриченко С.С., Дьяков И.Я. Ускоренные испытания надежности, тракторов, их агрегатов и узлов. - Тракторы и сельхозмашины, 1975, № 11, с. 31 - 33.

Майоров А.В., Потюков Н.П. Планирование и проведение ускоренных испытаний на надежность устройств электронной автоматики. - М.: Радио и связь, 1982.

Выбор методов и средств сравнительных испытаний на надежность изделий машиностроения при аттестации. Методы ускоренных испытаний. MP 37-82. - М., ВНИИНМАШ, 1982.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

РД 50-424-83

Москва

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

РАЗРАБОТАНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам ИСПОЛНИТЕЛИ

В.Ф. Курочкин, А.И. Кубарев, Е.И. Бурдасов, И.З. Аронов, Ж.Н. Буденная, К.А. Криштоф, Н.А. Сачкова, Т.Н. Дельнова, А.И. Кусков, Р.В. Кугель, В.П. Важдаев, К.И. Кузьмин, Л.Я. Подольский, Л.П. Лозицкий, А.Н. Ветров, В.Ф. Лопшов, В.Н. Любушкина, В.К. Медвежникова

ВНЕСЕНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам

УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 10 октября 1983 г. № 4903

РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ

Утверждены Постановлением Госстандарта от 10 октября 1983 г. № 4903, срок введения установлен с 1 января 1985 г.

Настоящие методические указания распространяются на изделия машиностроения и приборостроения и устанавливают основные принципы ускорения испытаний на надежность, которые рекомендуется применять при разработке нормативно-методической (программы и методики) и технической (испытательное оборудование) основ системы государственных испытаний продукции по ГОСТ 25051.0-81.

Основные понятия в области ускоренных испытаний на надежность и их определения приведены в справочном приложении.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

где CN,N и - срок службы N -гo объекта в выборке объема N , упорядоченной по возрастанию, при нормальных и ускоренных испытаниях, соответственно;

М - оператор математического ожидания.

Коэффициент пересчета показателей надежности, выраженных через календарную продолжительность, определяют по методу равных вероятностей (черт. 1), который заключается в следующем. На стадии предварительных исследований берут две случайные выборки из одной и той же партии изделий. Одна из них испытывается в нормальных условиях, другая - в режиме ускоренных испытаний. В процессе испытаний фиксируются моменты отказа изделий. По полученным экспериментальным данным находится функция K 1,p (см. черт. ) как геометрическое место точек, соответствующих равным квантилям р. Чтобы убедиться, что функция K 1,p, будет инвариантом производства, необходимо повторить эксперимент на нескольких партиях. При наличии функции K 1,p результаты ускоренных испытаний любой другой выборки приводятся к нормальным условиям.

Если же показатель надежности подсчитывают по наработке, то коэффициент пересчета равен единице.

Пересчет показателей надежности по методу равных вероятностей

С и С* - срок службы при нормальных и ускоренных испытаниях, соответственно; Р - вероятность недостижения предельного состояния; K 1,p - функция пересчета

где αi , αj - доли наработки в i -м нормальном и j -м форсированном режимах, соответственно;

Kji = 1 / Kij - коэффициент пересчета от j -го форсированного режима к i -му нормальному;

Ki - коэффициент пересчета от комплексного форсированного режима к i -му нормальному;

Kj - коэффициент пересчета от j -го форсированного к комплексному нормальному.

Ускоренные испытания – испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации о характеристиках свойств объекта в более короткий срок, чем при нормальных испытаниях или, что то же самое, при проектных условиях эксплуатации. Ускоренные испытания подразделяются на сокращенные и форсированные.

Сокращенные испытания – ускоренные испытания без интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения. Проведение сокращенных испытаний оправдано в случаях, когда возможен обоснованный прогноз поведения объекта при наработке, превышающей длительность проведенных испытаний.

Форсированные испытания – ускоренные испытания с интенсификацией процессов, вызывающих отказы или повреждения. Результаты форсированных испытаний представительны для нормальных условий эксплуатации объекта тогда, когда имеются однозначные зависимости между воздействующим фактором и показателем надежности. Такие зависимости называю базовыми зависимостями.

Ускорение испытаний характеризуется коэффициентом ускорения – числом, показывающим, во сколько раз продолжительность ускоренных испытаний меньше продолжительности нормальных испытаний (по наработке или по календарному времени). Форсируемый в испытаниях параметр называется ускоряющим фактором испытаний .

На практике применяются различные методы ускоренных испытаний:

Метод линейного возрастания нагружения – метод испытаний, в котором ускорение достигается при линейном повышении нагрузки во времени. Метод применим при линейной зависимости определяющих параметров от времени и постоянной скорости деградационных процессов в условиях эксплуатации.

Метод экстраполяции по нагрузке – метод испытаний при нескольких повышенных уровнях нагрузки и последующей экстраполяции результатов на нормальный уровень нагрузки. Метод применим, когда имеется однозначная зависимость определяемого показателя надежности от нагрузки.

Метод экстраполяции по времени – метод испытаний при нормальных нагрузках в течение времени, за которое накапливаются сведения о накоплении повреждений, достаточные для их экстраполяции на заданную наработку или до наступления отказа. Экстраполяцию нежелательно распространять на интервалы времени, превышающие время испытаний более чем в 1,5 раза.

Метод одноступенчатого нагружения («доламывания») – метод испытаний, в котором объект подвергается повышенной нагрузке после длительной работы при нормальной нагрузке. Применение этого метода правомерно при условии корректности принципа суммирования повреждений. На практике этот режим реализуется следующим образом: после нормальных испытаний объект подвергают форсированным испытаниям до исчерпания ресурса работоспособного состояния. Оценивают остаточный ресурс при форсированном режиме. Сравнивают его с полным средним ресурсом объекта в форсированном режиме. Если этих сведений нет, то проводят испытания новых объектов в форсированном режиме для оценки среднего ресурса. Сравнение полного и остаточного ресурса позволяет оценить степень исчерпания ресурса в проведенных нормальных испытаниях объекта и его полный ресурс в условиях эксплуатации.

Метод интенсификации приработки – метод испытаний, в котором форсируется период приработки. Применим, когда объекту присущ длительный период приработки.

Метод эквивалентных испытаний – метод, в котором испытания проводятся при повышенных нагрузках с анализом влияния на надежность каждого вида нагружения.

Методы уплотнения графика испытаний – методы, в которых сокращаются промежутки между циклами испытаний или увеличивается скорость нагружения. В этом методе есть вероятность получить консервативную оценку показателя надежности.

Метод усечения спектра нагрузок – метод испытаний, в котором исключаются режимы нагружения, характерные для условий эксплуатации, но слабо влияющие на надежность. Применение этого метода правомерно, когда есть полная уверенность относительно слабого влияния на надежность исключенных из графика испытаний режимов.

Метод сравнения с аналогами – метод испытаний в форсированных режимах со сравнением результатов испытаний с результатами, полученными на аналогичных объектах. Выводы по результатам сравнения могут распространяться на эти же режимы или на нормальные условия, в зависимости от объема и полноты имеющейся информации по аналогам.

Результаты ускоренных и нормальных испытаний должны быть сопоставимы, т.е. при идентичной природе отказа получаемые в этих испытаниях значения показателей надежности должны быть одинаковы. Например, равенство вероятности безотказной работы, получаемой в ускоренных (индекс «у») и нормальных (индекс «н») испытаниях, при экспоненциальном законе ее распределения означает выполнение равенства: ехр (-λ н t н )=ехр (-λ у t у ). Получив в ускоренных испытаниях значение интенсивности отказов, можно оценить интенсивность отказов в нормальных условиях из соотношения λ у =λ н k , полагая при этом, что коэффициент ускорения испытаний по времени k=t н/ t у при выбранных нагрузках эквивалентен коэффициенту ускорения испытаний по показателю надежности (вероятности безотказной работы).

Основной вопрос планирования ускоренных испытаний заключается в наличии базовой зависимости, отражающей влияние воздействующего фактора или нагрузки на показатель надежности. Источниками базовых зависимостей могут быть доступные сведения об аналогах. Если таковых нет, то для нахождения базовой зависимости проводятся исследовательские испытания в требуемом диапазоне изменения параметров испытаний. Следующий шаг – выбор ускоряющего фактора и режима ускоренных испытаний. В любом случае при планировании и проведении ускоренных испытаний учитываются результаты всех видов испытаний, проведенных при разработке и постановке на производство данного изделия.

Основное условие при выборе ускоряющего фактора – неизменность по сравнению с нормальными условиями физико-химических процессов, влияющих на надежность. Ускоряющий фактор должен хорошо контролироваться, легко меняться и воспроизводиться. Чаще всего этим требованиям удовлетворяет повышенная температура. Например: При отказах под воздействием термоактивируемых процессов средняя интенсивность отказов (и средняя наработка до отказа тоже) зависит от температуры по закону Аррениуса: λ=λ 0 ехр (-Е/kТ ). Или, общепринятая зависимость длительной прочности от температуры Т и напряжения σ при сроке службы более 100 тыс. часов имеет вид: Т р =аТ 2 σ -n ехр (b-сσ ).