А. А. КРАС HOBC КИЙ Л. Г ТКАЧЕНКО
ЭТАЖИ НАДЕЖНОСТИ

А. А. КРАСНОВСКИИ Л. Г ТКАЧЕНКО
L«dl
l^^^^^w
p*S">2$f^^^B^35!
^t1
1 •• V ,)
^■■^■'.■•■■^ЯЯК.
^^^^^^^^^^^^^Р^<Рдо1 J
^^Щ[^^^И1^21^_'«С^и м
;>: •' ;'• -:.-Х '^Лда.яйЯ #
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Mo скв а 197 1

УДК 02—19.023
Этажи надежности. Краснове кий А. А. иТкаченко Л. Г.
М., «Машиностроение», 1971. Стр. 160.
Научно-популярная книга посвящена проблеме надежности
промышленных изделий. Авторы показывают, как для решения проблем
надежности объединяются усилия ученых и инженеров самых
разных областей науки и техники — от радиоэлектроники до
инженерной психологии.
В книге рассказано об основных мероприятиях, обеспечивающих
надежность при проектировании, производстве и эксплуатации, о
современной технике и организации труда, способствующих повышению
надежности изделий.
Книга написана доступно и занимательно и рассчитана на самый
широкий круг читателей.
Рецензент канд. техн. наук Ю. Н. Кофанов
1—5—3—13
8—70

МИКРОТРЕЩИНЫ НА СКАМЬЕ
ПОДСУДИМЫХ
Почему разбилась «Комета»? Основные аспекты
проблемы. Три «кита» надежности
Полет трансатлантического лайнера проходил
нормально. Экипаж «Кометы», самолета крупнейшей
английской авиакомпании, поддерживал радиосвязь —
сначала с аэропортом вылета, затем с аэропортом назначе-
з

ния. Пассажиры были заняты своими делами: читали,
дремали, негромко беседовали. Потом кто-то заметил,
что стало трудно дышать. Пассажиры забеспокоились.
В эфир полетело тревожное сообщение пилота:
произошла разгерметизация корпуса, невозможно поддерживать
нормальное давление воздуха в салоне... Затем связь
вообще оборвалась. Самолет так и не прибыл к месту
назначения.
После первой аварии все самолеты «Комета» были
поставлены на профилактический осмотр. Но
специалисты никаких серьезных дефектов не нашли. Все
элементы, все узлы машин были, по их мнению, достаточно
надежны; все соответствовало стандартам. Правда, в
журналах осмотра сообщалось о каких-то крохотных
трещинках в фюзеляже, обнаруженных на некоторых
самолетах. Но об этом говорилось как о малозначительном
факте, не имеющем прямой связи с возможными
причинами аварии.
Аварию объяснили случайностью, не имеющей ни
Малейшего отношения к конструкции самолета. «Кометы»
снова пошли в рейсы. И вот новые катастрофы, новые
жертвы...
При повторном расследовании причин аварий запись
о «малозаметных трещинах» связали с сообщением
погибшего пилота о разгерметизации фюзеляжа. Не эти ли
микротрещины — причина катастрофы? Исследования
специалистов подтвердили догадку. Ученые пришли к
выводу, что еще до истечения гарантийного срока службы
разрушение авиаконструкции может происходить
вследствие едва заметных глазу трещин.
Микротрещины, попавшие на скамью подсудимых
после катастроф с «Кометами», были судимы по всей
строгости научных законов. И суд не только вынес им
обвинение, но и нашел способ предупреждать подобные
преступления.
Проблема разрушения материалов стала главным
предметом исследований многих специальных
лабораторий. О ней шла речь на международных симпозиумах
к тематических научных конференциях. Начались
капитальные исследования процессов распространения
трещин, их влияния на разрушение материалов. Одна за
другой в свет выходили монографии, посвященные этому
вопросу.
4

Двенадцать лет спустя после катастрофы с
«Кометами» советские ученые из Московского
инженерно-физического института впервые в мире сформулировали
общий закон развития трещин, который позволил не только
предугадывать начало процесса разрушения, но и
создавать условия для своевременного предупреждения этого
процесса.
Прежде, чем решение было найдено, исследователи
провели сотни экспериментов. Но еще до начала
экспериментов они несколько лет посвятили наблюдениям, сбору
материалов.
Трещины можно встретить буквально повсюду. И вот
ученые рассматривают трещины на лаковом покрытии
картин старых мастеров, на полуразрушенной
штукатурке давно не ремонтировавшихся домов, на стенах древних
зданий подмосковных музеев, на почве высохших болот...
Наблюдения, опыты, эксперименты, обобщение
собранных материалов, расчеты, снова опыты. И секрет
был разгадан...
Мы живем в мире, где техника с каждым днем играет
все более важную роль. Технические средства проникли
во все сферы жизни. Нет человека, который в своей
работе и быту не сталкивался бы с техническими
изделиями, а значит, и с проблемой их надежности. Мы говорим
о надежности технологических систем в цехах заводов и
тракторов на полях, навигационного оборудования на
морских судах и приборов в исследовательских
лабораториях, стиральной машины в нашей квартире и ружья
в руках таежного охотника-промысловика. Причем от
уровня надежности технических устройств и сооружений
зависит не только их бесперебойная работа, но часто и
здоровье, а иногда и жизнь человека.
Некоторые читатели, вероятно, помнят о катастрофе,
постигшей Италию в 1963 году. Тогда под напором воды
рухнула плотина водохранилища Вайонт. Вода смыла
четыре населенных пункта, две тысячи человек погибли!
Разумеется, в случаях, подобных данному, нельзя
возлагать всю вину только на надежность технических
средств. Для этого пришлось бы полностью отвлечься от
социального аспекта проблемы надежности. А это,
понятно, невозможно.
К проблеме надежности сходятся дороги от самых
различных наук: физики и химии, радиоэлектроники и
б

математики, научного планирования и инженерной
психологии. Свой вклад в борьбу за надежность делают
микроминиатюризация и применение печатного монтажа.
Вопросами надежности занимаются металлурги, создающие
новые материалы, специалисты по вопросам
оптимального планирования и управления. Одним словом, на
примере проблемы надежности легко заметить то, что
отличает сегодняшний день: плодотворное сотрудничество,
обогащающее технику и промышленность новыми
методами и дающее в то же время науке новые мощные
средства исследований...
Читатель, очевидно, обратил внимание на то, что
термин «надежность» мы употребляем в сочетании со
словами «техническое изделие», «схема», «машина» и т. д.
Это происходит не случайно: можно говорить о
надежности того, на что возложено выполнение какой-либо
функции. Есть специалисты, которые даже считают, что
следует говорить только о надежности того, что работает,
т. е. машины, прибора и т. п. Думается, что это все же
не так. Возьмем для примера какой-либо ручной
инструмент — пилу, рубанок, сверло. Можно говорить об их
надежности? Разумеется, можно. А между тем они сами
ведь лишь выполняют определенную функцию, и только
человек, используя инструменты и их способность
пилить, строгать, сверлить, производит рабочие операции.
Иными словами, уровень надежности может служить
характеристикой практически любого технического
изделия — от самого простого до самого сложного.
Наши дни — время новой технической революции,
когда машины начинают постепенно заменять человека не
только в физическом, но и в умственном труде.
Электронные машины помогают ученым — физикам и
математикам, химикам и экономистам, расшифровывают
древнце тексты, осуществляют машинный перевод с
одного языка на другой, облегчают работу
проектировщиков. Электронные вычислительные устройства стоят
рядом с человеком на «капитанских мостиках» индустрии
и с большой точностью и логичностью управляют
технологическими процессами.
Однако даже столь замечательные возможности
электронно-вычислительных машин (ЭВМ) уже не
удовлетворяют ни ученых, ни производственников-практиков.
Исследователи работают над тем, чтобы создать новые
6

ЭВМ — еще более быстродействующие, надежные и
малогабаритные. Появились, как образно говорят
специалисты, ЭВМ «третьего поколения» — вычислительные
машины на интегральных схемах (первое поколение —
ЭВМ на электронных лампах, второе — на
полупроводниковых элементах). В них на одном кристалле
выполняются целые электронные схемы, состоящие из нескольких
приборов, сопротивлений, емкостей и связей между ними.
Электронно-вычислительные машины на
интегральных схемах открывают замечательные перспективы во
многих областях, в том числе и в автоматизации
промышленного производства.
Уровень автоматизации производства — важнейший
показатель технического прогресса. Комплексная
автоматизация дает возможность увеличить количество и
повысить качество промышленной продукции. Уже
сейчас управляющие машины, вооруженные сотнями
сверхчувствительных датчиков, плавят сталь, «командуют»
металлопрокатными агрегатами, следят за ходом
химических реакций, осуществляют контрольные операции
со скоростью и точностью, недоступными органам чувств
человека. Больше того, ряд отраслей производства и
областей научных исследований (таких, например, как
атомная промышленность или исследования
космического пространства) вообще не могли бы существовать
без автоматики и телемеханики.
Но чем больше и ответственней служба
автоматических устройств в современном производстве, тем,
естественно, более жесткие требования предъявляются к их
надежности.
Технический прогресс усложняет условия работы
машины. Оснащающие современное производство системы
работают на невиданных прежде скоростях, в
агрессивных средах, под огромным давлением, при сверхвысоких
или сверхнизких температурах. Надежность работы
машин в таких условиях обеспечить, конечно, несравненно
труднее.
Возьмем для примера рост скоростей, при которых
работают различные машины. Борьба за повышение
скоростей — неотъемлемая черта технического прогресса.
Это относится прежде всего к транспортным средствам.
Успехи в этой области действительно велики: корабли
на подводных крыльях движутся со скоростью автома-
7

шин, железнодорожные поезда — значительно быстрее,
чем первые самолеты, самолеты же вдвое-втрое
обогнали звук, а о скоростях ракет и говорить не
приходится. Растут скорости и технологических машин. В этих
условиях небольшая неточность в проекте или в
процессе производства может привести не только к отказу,
но и к серьезной аварии. Вот почему современная
техника требует исключительно большой точности как при
изготовлении отдельных деталей, так и при их монтаже
в узлы. Во многих отраслях производства точность
измеряется не тысячными долями метра, как прежде, а
миллионными.
Сами же машины становятся день ото дня все
сложнее. Чем труднее и многограннее задачи, решать
которые должна машина, тем, как правило, из большего
количества деталей она состоит, тем более высокой
должна быть надежность каждой детали.
Повышение надежности отдельных деталей, узлов и
агрегатов, обеспечение возможности удобного и
быстрого ремонта изделия создают условия для технического
прогресса. А технический прогресс и наука со своей
стороны открывают новые возможности в борьбе за
надежность, ставят на службу промышленности новые
материалы, новые методы их обработки.
Теперь, когда значимость проблемы надежности в
общих чертах охарактеризована, необходимо дать
определение самому понятию «надежность». Что же это
такое — надежность технического изделия?
Представьте себе новую электронную
вычислительную машину. Она только что выпущена заводом счетных
машин и предназначена для какого-то другого завода
или научно-исследовательского института. Там ей
«поручат» весьма ответственную работу. Покупатель знает о
машине, что она делает столько-то тысяч операций в
секунду, что у нее память такой-то емкости, что она
потребляет определенное количество электроэнергии. На
первый взгляд может показаться, что этого вполне
достаточно, чтобы получить полное представление о машине.
Но только на первый взгляд. Необходимо также знать,
как эти «паспортные» показатели будут проявляться с
течением времени, через недели, месяцы, годы работы.
Действительно, что толку в том, что машина способна
совершать огромное количество операций в секунду, если
8

она скоро сломается и потребует длительного ремонта,
во время которого, понятно, вовсе не будет работать.
Все качества машины, все ее производственные
показатели ценны лишь в том случае, когда они постоянны,
когда они сохраняются в течение долгого времени
(разумеется, в тех условиях эксплуатации, которые для
данной машины предусмотрены). Вот это сохранение
машиной в течение определенного времени способности в
предусмотренных условиях выполнять те или иные
операции с должной точностью и быстротой и принято
называть ее надежностью.
Уровень надежности — это важнейший показатель
качества технического изделия. Представьте себе,
скажем, станок — очень производительный, потребляющий
мало электроэнергии, точный, но ненадежный в работе.
Все его достоинства теряют ценность, ибо они не могут
быть использованы в полной мере.
Какое же техническое изделие можно считать
надежным? Из каких признаков складывается надежность
прибора, станка, транспортного средства,
автоматической линии?
Прежде всего следует, разумеется, отметить
безотказность в работе. Это основной признак надежности.
Но безотказности можно добиться только в течение
определенного периода. Рано или поздно износившаяся
деталь может отказать. Как же сочетать эту
неизбежность отказа детали и надежность системы? Здесь на
сцену выступают другие показатели надежности —
например, наличие резервов в схеме или система контроля,
которая сможет дать сигнал о приближении аварийной
ситуации.
Надежная работа машин обычно гарантируется для
определенных режимов и внешних условий работы. На
практике же эти условия часто меняются. С учетом
такой возможности наиболее надежной следует считать
автоматическую систему, которая на основе обратной
связи сама перестраивает режимы работы так, чтобы
сохранять надежность в меняющихся условиях.
Но представим себе, что отказ системы все же
произошел. Можно ли и теперь говорить о большей или
меньшей ее надежности? Да, можно — в том случае,
когда речь идет, скажем, об автомобиле или
радиоприемнике, тракторе или станке. Если наладчик имеет воз-
9

можность легко добраться до повреждения, снять
неисправную и поставить на ее место новую деталь, то
данная машина имеет право на звание надежной.
В каждой отрасли производства проблема
надежности имеет свои особенности. Специфичны и методы
повышения надежности. Но есть факторы, методы и
принципы, одинаково значимые для надежности любых
технических изделий.
Можно говорить о трех этапах борьбы за
надежность. Подобно трем китам, на которых, если верить
стародавним преданиям, покоилась некогда Земля, на
них покоится «многоэтажная» проблема надежности со
всем множеством ее аспектов. Собственно говоря, этапы
борьбы за высокую надежность любого технического
изделия совпадают с этапами самой «жизни» технического
изделия — проектированием, производством и
эксплуатацией. Задачи и методы борьбы за надежность на
каждом из них свои, особые. А цель одна.
Каждый из трех этапов важный, каждый —
обязателен. Это понятно: если при проектировании не будет
заложена прочная основа надежности, то никакие
ухищрения производственников и эксплуатационников
не смогут сделать машину надежной. Однако основа так
и останется лишь основой, если о надежности изделия
забудут при его производстве. Наконец, даже очень
надежная машина не оправдает надежд, если
эксплуатационники не будут соблюдать определенных условий.
На протяжении всей жизни технического изделия о
его надежности должны заботиться буквально все, кто
так или иначе с ним соприкасается. Часто в одной
только разработке проекта принимают участие несколько
проектных институтов. А на проектировщиков работают
различные НИИ и КБ, создающие, например, материалы с
заданными свойствами. Нередко оказывается, что при
изготовлении машины на завод-изготовитель с других
предприятий самых разнообразных отраслей индустрии
поступает множество полуфабрикатов и готовых
деталей. Такова уж индустрия сегодняшнего дня, когда
специализация производства, с одной стороны, и
производственное кооперирование, с другой, стали
отличительным признаком материально-технического прогресса.

„КИРПИЧИ" ТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
Шевалье де Мере бросает кости. Вероятностная
характеристика отказов. Контроль надежности.
Париж XVII столетия. Эпоха политических интриг и
дуэлей, непомерной роскоши, в которой жили
аристократы, и нищеты простого люда, время замечательных
научных открытий и мореплавании, публичных казней
и частых эпидемий. Среди других болезней был тогда
один «недуг», который поразил буквально все обще-
П

ство,— стремление разбогатеть с помощью азартных игр.
Жил в те времена некий французский дворянин,
Шевалье де Мере, страстный игрок в кости. Случайно
выпадавшая на долю Шевалье удача была — увы — слишком
редкой и ни в малой степени не удовлетворяла его.
И де Мере решил подчинить себе капризную богиню
счастья. Он придумал новую игру: заключал пари, что
если бросить одну кость четыре раза подряд, то хотя бы
один раз обязательно выпадет «шестерка». Шевалье был
уверен, что будет выигрывать чаще, чем проигрывать, но
все же обратился к своему приятелю, крупнейшему
математику XVII века Блезу Паскалю, с просьбой помочь
в расчетах точной вероятности выигрыша. Паскаль
согласился, и несложные в общем-то подсчеты дали
достаточно благоприятный для де Мере результат. В новой
игре вероятность проигрыша де Мере равнялась ——,
т. е. составляла меньше 0,5.
Де Мере начал выигрывать, и чем больше он играл,
тем больше становился общий выигрыш. Но вскоре с
ним уже никто не хотел бросать кости, и игрок
придумал новый вариант: заключал пари, что, бросив две
кости двадцать четыре раза, один раз обязательно
получит две «пятерки». Паскаля уже не было в живых и
некому было проверить «надежность» новой игры де
Мере. Если же мы сами подсчитаем его шансы, то
увидим: вероятность выигрыша де Мере в новом пари со-
/36\24 лС Т/
ставляла — , т. е. несколько меньше 0,5. Как и сле-
довало ожидать, де Мере разорился и умер в нищете.
Здесь нам, очевидно, следует признаться, что
биография де Мере к нашему рассказу в общем-то прямого
отношения не имеет. А вот теория вероятностей (в XVII
веке ею занимались помимо Паскаля такие выдающиеся
умы того времени, как, например, П. Ферма и X.
Гюйгенс), которая во многом обязана своими первыми
шагами расчетам случайных явлений в приложении к
азартным и другим играм, связана с темой
надежности самым тесным образом. Дело в том, что теория
надежности постоянно оперирует понятиями теории
вероятностей. Действительно, если заранее известно, что
какое-то устройство обязательно будет исправно
работать определенное время или, наоборот, откажет в тот
12

или иной момент времени, то теории надежности здесь,
собственно, делать нечего. На практике же отказы
возникают случайно; теория надежности изучает именно
эти, случайно возникающие отказы и разрабатывает
меры борьбы с ними. И тут без теории вероятностей
не обойтись.
Впрочем, об этом мы поговорим несколько позже.
А сейчас речь пойдет о том, с чего начинается создание
технического устройства и каковы на этом этапе методы
борьбы за его надежность.
Ни одно современное техническое устройство не
рождается самопроизвольно, случайно. Задолго до того, как
конструктор подойдет к чертежной доске, специалисты
самых высоких научных рангов сядут за длиннце сове
щательные столы, чтобы четко и ясно сформулировать
те требования, которым должно удовлетворять будущее
изделие. В пылу горячих споров постепенно
выкристаллизуется документ под названием «Техническое задание
на разработку». Прежде чем все присутствующие
поставят свои подписи под этим документом, приходится
перебрать множество вариантов построения, способов
производства, методов сборки, марок металлов и
пластмасс, полупроводников и изоляционных материалов, из
которых будут созданы детали технического устройства.
В техническом задании формулируются все основные
требования к будущему изделию. Среди этих
требований такие, как назначение, вес, надежность и др. Одно
из важных мест в техническом задании занимают
требования к условиям эксплуатации, которым это устройство
должно отвечать. При составлении задания учитываются
самые последние достижения физики, химии,
математики, различных технических дисциплин.
Составление технического задания — важнейший этап
в создании всякого устройства. Ведь если этот документ
будет составлен неправильно, никакая
высококачественная работа в дальнейшем не позволит добиться
положительных результатов. Всесторонняя информация о
прототипах создаваемого устройства (как отечественных, так
и зарубежных) позволяет максимально использовать в
задании проверенные технические решения. Но очень
часто приходится искать пути создания новых — более
прогрессивных и совершенных вариантов.
Но вот задание составлено. Теперь начинается один
13

из важнейших этапов конструирования — эскизное
проектирование. На этой стадии производят выбор
наилучшей компоновки устройства, производят первый, сугубо
ориентировочный, расчет надежности изделий.
Надежность технического устройства тесно связана с
надежностью деталей, из которых оно состоит.
Неисправность детали приводит к понижению работоспособности
устройства, а то и к выходу его из строя. Однако не
всякая неисправность детали приводит к тому, что изделие
снижает качество выполняемой работы или вообще
перестает решать порученную ему задачу. Например,
царапина на корпусе или другие подобные неисправности,
конечно, портят внешний вид устройства, но оно
продолжает— за редкими исключениями — работать, причем,
как правило, достаточно хорошо. И все-таки при наличии
таких дефектов изделие удовлетворяет уже не всем
требованиям технической документации.
Есть и другая категория неисправностей: в
результате их появления изделие перестает выполнять по
меньшей мере одну из своих функций. Такие неисправности,
при которых устройство теряет свою работоспособность
полностью или частично, называют отказами. Теория
надежности занимается изучением именно этих
неисправностей.
Первый ориентировочный расчет надежности
производят по весьма приближенным данным. Чаще всего
задача этого расчета — установить принципиальную
возможность создания устройства с такими параметрами
надежности, которые в действительности могут быть
достигнуты. В отдельных случаях для того, чтобы
проверить правильность принятых решений, приходится
построить макет будущего устройства и подвергнуть его
некоторым видам испытаний.
Основные идеи конструкторов окончательно
кристаллизуются на следующем этапе проектирования — при
создании технического проекта. Соответствие конструкции
техническому заданию, заданным требованиям к
качеству обеспечивают именно на этом этапе. В то же время
производят расчет всех элементов по предельным
нагрузкам с необходимым запасом прочности, принимают
меры для достижения наибольшей прочности узлов и
деталей как важнейшего условия повышения надежности,
14

производят полный расчет надежности. Затем строят
опытный образец технического устройства и производят
его всесторонние испытания. После этого, если нужно,
корректируют техническую документацию и, наконец,
передают ее на завод.
Для обеспечения надежности оборудования
необходимо прежде всего тщательно исследовать вопрос о том,
какие именно отказы представляют наибольшую
опасность для конкретного технического изделия. Виды
отказов различают по разным признакам: зависимые и
независимые, внезапные и постепенные и т. д.
Вне зависимости от того, идет ли речь о постепенном
или внезапном отказе, можно сказать, что он всегда и
обязательно причинно обусловлен. Да и само разделение
на постепенные и внезапные отказы несколько условно.
Ведь с течением времени всякий постепенный отказ
может стать внезапным, если не будут приняты
необходимые меры. Подобное разделение скорее определяется
возможностями контроля за изменением характеристик
деталей и устройств в целом. Если, скажем, мы смогли
бы с достаточной точностью и скоростью определять
изменение параметров в случае проявления внезапных
отказов, то, очевидно, от этого понятия удалось бы
вообще отказаться. Постепенный отказ означает, что
устройство не сразу перестает выполнять свои функции. Если
во-время удается заметить, что какой-то параметр
начинает угрожающе изменяться, то соответствующей
регулировкой можно восстановить нормальное
функционирование технической системы. А внезапный отказ — это,
конечно, лишь частный случай постепенного, но он
проявляется настолько быстро, что предотвратить его, когда
процесс уже начался, пока не удается.
Появление отказов всех типов можно предсказать,
применяя теорию вероятностей. Для изучения
закономерностей появления отказов широко используется один
из разделов теории вероятностей — статистика.
Статистические закономерности принципиально отличаются от
так называемых элементарных закономерностей.
Существо их различия в том, что элементарные
закономерности обнаруживаются в каждом единичном явлении, в
каждом отдельно взятом объекте или элементе;
статистические же закономерности свойственны массовым
явлениям.
15

Элементарным закономерностям подчиняются
практически любые явления, которые изучает классическая
механика. Например, как известно, первый закон
классической динамики утверждает, что всякое тело
сохраняет состояние покоя или равномерного и
прямолинейного движения до тех пор, пока внешние силы не
выведут его из этого состояния. В данной формулировке
внимание акцентируется на строгой определенности и
точности причинно-следственных взаимодействий. Иное по-
ложение складывается в тех случаях, когда нужно
предсказать событие, которое наступает под влиянием
многих причин, одни из которых способствуют наступлению
этого события, а другие, наоборот, препятствуют.
Однако, изучая большое количество подобных событий,
удается выявить закономерности, которым они
подчиняются. Такие закономерности называют
статистическими, а их использование позволяет получить тем
больший эффект, чем больше событий одинакового характера
описывают с их помощью.
Возможность описать и изучить отказы любых типов
с помощью статистических закономерностей позволяет
науке о надежности технических изделий использовать
для предсказания работоспособности спроектированного
(или проектируемого) оборудования теорию
вероятностей. Но для того, чтобы начала «работать» теория
вероятностей, нужно выявить статистические
закономерности, которым подчиняются отказы деталей — «кирпичей»
технического устройства. С этой целью либо проводят
специальные долговременные испытания большого
количества деталей, либо используют сведения об отказах
подобного технического изделия за достаточно
длительный срок эксплуатации. Собранные при этом сведения
обрабатывают определенным образом — для оценки
параметров совокупности отказов (потока отказов).
В процессе обработки сведений весь период
испытаний или эксплуатации делят на несколько интервалов.
Длительность этих интервалов (а она часто бывает
одинаковой) определяют с учетом следующих соображений:
длительность интервала (А^) должна быть, с одной
стороны, не столь большой, чтобы сглаживались
характерные изменения закона, и, с другой стороны, не слишком
малой, так как в последнем случае могут проявляться
несущественные свойства потока отказов. В каждом от-
16

дельном случае удается найти оптимальную (т. е.
наилучшую) длительность интервалов разбиения. Затем
составляют таблицу, в которой по каждому интервалу
записывают число имевших место отказов (я) и отношение
этого числа к общему количеству деталей, оставшихся
«невредимыми» к началу данного интервала,
умноженному на длительность интервала разбиения: .
Такое отношение — важная характеристика в теории
надежности; оно носит название интенсивности отказов.
Затем строят несложный график, на котором по оси
абсцисс откладывают время испытаний, а по оси
ординат— интенсивность отказов. Конкретные значения
каждой интенсивности отказов приписывают серединам
интервалов разбиения. Проводя через найденные таким
образом точки кривую, получают графическое
изображение зависимости изменения интенсивности отказов с
течением времени. Характер такой зависимости у деталей
разного вида, как правило, различный.
Рассмотрим эту зависимость на примере деталей
радиоэлектронной аппаратуры. Пример тем более
характерный, что радиоэлектронная аппаратура в
современных условиях стала неотъемлемой частью практически
любого типа оборудования.
С течением времени интенсивность отказов меняется.
Для радиоэлектронных деталей в этом изменении можно
отчетливо выделить три участка. На первом участке
интенсивность отказов быстро падает. Это означает, что
существует некоторое «становление» надежности;
первый участок можно назвать «детством» аппаратуры
(специалисты именуют его периодом приработки
аппаратуры). Продолжительность данного периода — обычно она
лежит в пределах от 10 до 200 часов — зависит от типа
аппаратуры, культуры производства на предприятии,
которое изготовляет аппаратуру, квалификации
обслуживающего персонала и пр.
Чем выше техническая культура производства и
обслуживания, тем быстрее падает интенсивность отказов
на участке приработки, и тем короче, естественно, сам
участок. Если на заводе-изготовителе производится
тщательная отбраковка деталей с внутренними дефектами,
то в эксплуатации этот период может либо вообще
отсутствовать, либо быть очень небольшим. Часто техни-
17

ческая система проходит приработку на
заводе-изготовителе; при этом аппаратура работает в условиях,
аналогичных условиям эксплуатации. Затем неисправные
детали, выявленные в период приработки, заменяют
более качественными и исправляют ошибки монтажа.
(Однако полностью приработать изделия на
заводе-изготовителе не удается, а иногда это и нецелесообразно.
Позднее мы объясним, почему это происходит.)
Второй участок — основной период эксплуатации
аппаратуры, период ее «зрелости». В течение этого отрезка
времени интенсивность отказов постоянна и наиболее
низка. Продолжительность данного участка, конечно,
несоизмеримо больше периода приработки.
Третий участок — это как бы «старость» аппаратуры.
На третьем участке интенсивность отказов растет — за
счет механического и электрического износа
большинства деталей,— пока дальнейшая эксплуатация
аппаратуры без замены деталей становится нерациональной.
Процессы, вызывающие отказы отдельных деталей и
всей аппаратуры в целом, в значительной мере зависят
от внешних условий эксплуатации. Это очевидно, и не
требует доказательств. Нельзя иметь правильного
представления о надежности изделия, если неизвестно, для
каких условий определена его надежность; с изменением
условий эксплуатация аппаратуры меняются и
показатели ее надежности. Типичные характеристики внешних
условий (условий, в которых происходит эксплуатация
аппаратуры) — температура, влажность, наличие
вибрации, магнитные и электронные поля, уровень
радиоактивного облучения и т. д. Все эти условия, понятно,
различны для разных объектов: для самолетов — одни, для
подводных лодок — другие. В каждом конкретном случае
приходится применять специфические меры защиты от
внешних воздействий. И в каждом конкретном случае
деталям свойственно определенное значение интенсивности
отказов.
Чем труднее условия эксплуатации, тем выше это
значение, или, другими словами, тем вероятнее отказ
аппаратуры. Понятно, что в таких случаях борьба за высокую
надежность изделия требует специальных методов и
дополнительных расходов.
Вероятность оценивают численно как часть или
процент общего числа возможных событий. Например, ве-
18

роятность выпадения герба или «решетки» при
подбрасывании монеты составляет 50%. Равность шансов
выпадения герба или «решетки» обеспечивает
симметричность монеты. В каждом отдельном случае вероятность
фактической реализации зависит от привходящих
обстоятельств, которые тоже случайны,— от положения монеты
в момент бросания; от силы, с которой монета
подброшена; от направления бросания и т. п. Все эти
случайные причины в одних случаях благоприятствуют
выпадению герба, в других — «решетки», но не в каком-то
закономерном порядке, а хаотично, беспорядочно. При
достаточно большом числе подбрасываний проявляется
статистическая закономерность. Она заключается в том,
что подброшенная монета ложится на герб и «решетку»
приблизительно одинаковое число раз.
Однако вернемся к теории надежности.
Вероятностная характеристика надежности изделия — это
математическое выражение случайности процесса отказов.
Поскольку при этом рассматриваются только два
возможных состояния аппаратуры (исправное и отказовое),
сумма вероятностей всех возможных состояний —
работоспособного и отказового — равна единице, или 100%.
Конечно, применение теории вероятностей к описанию
надежности аппаратуры — это прежде всего
свидетельство недостаточности наших знаний о физических
процессах, происходящих при эксплуатации изделий. Но, как
уже говорилось, сегодня без теории вероятностей в
борьбе за надежность изделия не обойтись.
Из описанного правила вычисления интенсивности
отказов ясно, что эта характеристика представляет
собой вероятность отказа детали в единицу времени, после
данного момента времени и при условии, что отказ в
течение предыдущего периода времени не возник.
Интерпретация этой характеристики — удельная скорость, с
которой происходят отказы деталей. Мерой такой
скорости, естественно, служит отказ в единицу времени (как
правило, в час). В процессе испытаний для определения
численного значения интенсивности отказов отказавшие
детали не ремонтируются и не заменяются новыми. Чем
меньше отказов происходит в один и тот же промежуток
времени, т. е. чем меньше интенсивность отказов, тем
надежнее техническое изделие, и наоборот.
19

На том участке, где интенсивность отказов —
величина постоянная, поток отказов обладает тремя интерес-
ными свойствами.
При постоянном наблюдении за работой группы
одинаковых технических устройств в течение основного
периода эксплуатации можно заметить, что количество
отказов за одинаковые промежутки времени — одно и
то же, вне зависимости от того, когда начинается и когда
заканчивается каждый из этих промежутков времени.
Что это значит? Поясним на примере. Допустим, что в
результате наблюдения за 5 тысячами одинаковых
телевизоров в течение 3 лет установлено, что в каждом из
них за год работы происходит в среднем один отказ-
Тогда с уверенностью результаты наблюдения можно
распространять на все телевизоры этой марки,
находящиеся в эксплуатации, и при продаже такого телевизора
гарантировать покупателю, что этот телевизор будет
отказывать в среднем один раз в году (до тех пор,
конечно, пока не начнется процесс старения деталей).
Телевизоры, понятно, далеко не самые сложные
радиоэлектронные устройства. В современной технике
эксплуатируются изделия, количество деталей в которых
в тысячи, а то и в десятки тысяч раз больше, чем у
телевизионных приемников. В таких объектах, естественно,
и отказы возникают значительно чаще. И все же каким
бы сложным ни было устройство, как бы часто оно ни
отказывало, всегда сохраняется справедливым
утверждение: в один и тот же момент времени не может
произойти больше, чем один отказ. Иными словами, какой бы
момент времени мы не выбрали, всегда в этот момент
либо вообще отказов не будет, либо будет только один
отказ, т. е. не существует таких моментов, когда
возникает два и больше отказов одновременно.
Наконец, третье свойство — отсутствие причинной
связи между отказами. Другими словами, вне
зависимости от того, какой по счету вновь возникший отказ —
первый, десятый, двадцать пятый или любой другой, все
равно его появление никак не связано ни с
предыдущими, ни с последующими отказами.
Эти три свойства совокупности отказов называются,
соответственно, стационарностью, ординарностью и
отсутствием последствия. А сам поток отказов,
обладающий этими свойствами, называется простейшим. Свой
20

ства, которыми обладает поток отказов деталей,
определяет вид математической формулы, которую можно
использовать для предсказания того, какими
параметрами надежность будет обладать проектируемое
техническое устройство, а также для разработки мер,
направленных на повышение надежности изделия в тех случаях,
когда это необходимо.
Надежность объекта в зависимости от конкретного
вида эксплуатации характеризуют различными
параметрами. Наиболее распространенные из них — вероятность
безотказной работы устройства, средняя наработка до
первого отказа и коэффициент готовности. Под
наработкой, как правило, понимают продолжительность работы
изделия в часах. Тогда средняя наработка до первого
отказа (Т)—среднее значение продолжительности
работы объекта до первого отказа. В том случае, когда мы
имеем дело с простейшим потоком отказов, этот
параметр— величина, обратная интенсивности отказов
аппаратуры (X), т. е. 7^=— .
л
Если известна интенсивность отказов каждой детали
(h), то определить интенсивность отказов аппаратуры
несложно. Для этого достаточно сложить интенсивность
отказов всех деталей, входящих в аппаратуру:
/-1
Одновременно, конечно, нужно учесть вид соединения
деталей — последовательное или параллельное
(последовательно соединены все те детали, без которых
техническое изделие не может выполнять хотя бы одну из своих
функций). Допустим, что требуется определить
надежность спроектированного радиоприемника (пусть нас
интересуют только такие его параметры, как
чувствительность, избирательность, громкость и качество
звучания). Тогда легко выделить те детали, без которых эти
свойства радиоприемника не будут нарушены. Все
перечисленные функции будут выполняться, скажем, без
лампы подсветки шкалы. Значит, эта деталь не попадет в
число тех, которые соединены, в смысле надежности,
последовательно. Отказ же любой из последовательно
соединенных деталей немедленно вызывает отказ всего
21

технического устройства. В этом случае устройство не
может быть более надежным, чем надежность самого
«слабого» звена в цепи последовательно соединенных
элементов. Вот почему при определении интенсивности
отказов технического устройства для вычисления
средней наработки до первого отказа суммированию
подлежат интенсивность отказов только тех деталей, которые
соединены последовательно.
Если нужно определить данный параметр у объекта,
который находится в эксплуатации, то задача решается
тоже довольно просто. Для этого устанавливают
наблюдения за работой достаточно большого количества
объектов и отмечают, сколько времени каждый проработает
до первого отказа; затем все полученные показатели
наработки до первого отказа складывают и делят на общее
количество находящихся под наблюдением объектов.
При условии, что мы имеем дело с простейшим
потоком отказов, вероятность безотказной работы изделия
определяется формулой P(t)=e~'kt, где е — основание
натуральных логарифмов (2,71...), t — время, для
которого определяется вероятность сохранения объектом
всех его свойств, X — интенсивность отказов объекта.
Использование приведенной формулы вовсе не означает,
что можно совершенно точно, минута в минуту, узнать,
когда произойдет отказ изделия. Поскольку теория
надежности пользуется вероятностными методами, мы
можем только сказать, когда отказ аппаратуры наиболее
вероятен. Наибольшее значение вероятность безотказной
работы имеет в начальный момент эксплуатации, после
периода приработки, когда Р(0) = 1, т. е.
предполагается, что новое техническое устройство при первом же
включении должно работать. Через очень большое время
эксплуатации любое изделие заведомо работать не будет;
иными словами, через весьма длительное время
вероятность его безотказной работы равна нулю. Если
аппаратура проработает время, численно равное обратной
величине интенсивности отказов, т. е. среднюю наработку до
первого отказа, то вероятность того, что она не откажет,
в соответствии с расчетами, будет иметь величину
Р I—)=— = 0,37. Иначе говоря, по истечении этого
времени из каждых 100 аппаратов могут остаться
исправными 37. Таким образом, средняя наработка до пер-
22

вого отказа — это время, в течение которого отказы
возникнут в 63% от общего количества объектов
проверяемой на надежность серии.
Вероятностью безотказной работы и средней
наработкой до первого отказа целесообразно характеризовать
надежность таких устройств, которые нельзя
ремонтировать. Если же после отказа устройство можно
ремонтировать, восстанавливая его работоспособность, то этих
двух параметров для характеристики надежности
устройства недостаточно. Чрезвычайно важно знать, как
быстро после наступления отказа устройство вновь будет
готово к выполнению своих функций. Но об этом мы
расскажем в специальной главе.
В наиболее простом для расчетов случае аппаратура
состоит из какого-то числа N последовательно
соединенных элементов, работоспособность которых взаимно
независима. Тогда вероятность ее безотказной работы
равна произведению вероятностей безотказной работы всех
элементов, каждая из которых вычисляется для того
времени, для которого нужно определить вероятность
безотказной работы всего устройства. Допустим, что все
элементы одинаковы и вероятность безотказной работы
каждого элемента составляет 99%. Тогда аппаратура,
состоящая из 100 таких элементов, будет иметь
вероятность безотказной работы 37°/о, из 250 элементов — 8%,
а из 500 элементов — только 1%. Допустим, что удалось
повысить надежность каждого элемента или найти
другие элементы с более высокой надежностью. Теперь
вероятность безотказной работы каждого из них
составляет, например, 99,9%. Тогда резко возрастает и
безотказность аппаратуры. Она станет равной 90% при 100
элементах, 78% — при 250 и 60% — при 500. Примем
еще какие-нибудь меры по повышению надежности
элементов и доведем вероятность их безотказной работы до
99,99%. Результат будет таков: вероятность безотказной
работы аппаратуры составит, соответственно, 99,1, 97,4
и 95,2%. Приведенные подсчеты означают, что если
аппаратура состоит, например, из 500 элементов, то при
прочих равных условиях из каждых 100 объектов
построенных на элементах первой группы, откажут 99, из
100 объектов с элементами второй группы — 40, из 100
объектов с элементами третьей группы — 5. А что будет,
если вероятность безотказной работы каждого элемента
23

равна 95% и устройство состоит из 1000 таких
элементов? Тогда вероятность его безотказной работы
запишется в виде десятичной дроби, у которой между запятой и
первой значащей цифрой стоит 21 нуль!
Если интенсивность отказов аппаратуры равна,
например, 4-10^3 в час, то это означает, что в течение
1000 часов (примерно за полтора месяца) работы
наиболее вероятны четыре отказа. Однако после первых 10
часов эксплуатации из каждых 100 аппаратов скорее всего
откажут только 4, через 100 часов — уже 33, а через 1000
часов — целых 82.
Все это подтверждает тот очевидный факт, что
борьба за надежность технических изделий должна
начинаться уже при выборе деталей. Казалось бы, что самый
простой путь при этом — использование деталей с такой
надежностью, которая полностью удовлетворяла бы
требованиям к надежности аппаратуры. Но при этом
необходимо учитывать и экономические соображения.
Конечно, нецелесообразно продолжать выпуск деталей с
надежностью ниже той, которой характеризуются детали
нового типа, если эти новые детали обладают всеми
другими положительными свойствами старых деталей. В тех
же случаях, когда новые детали существенно дороже
старых, последние продолжают использоваться при
создании технических устройств, к надежности которых
предъявляют менее жесткие требования.
В процессе проектирования технических изделий
большое внимание уделяется выбору режимов, при
которых должны работать детали. Использование самых
надежных деталей не дает нужного эффекта, если нагрузка
на них превышает допустимую.
В то время как для сложного технического изделия
надежность в зависимости от конкретных условий
оценивается разными параметрами, для деталей такой
параметр практически один — интенсивность отказов.
Сведения об интенсивности отказов усредняют по
времени, по группам деталей и приводят в виде таблиц
среднегрупповых интенсивностей отказов для периода
нормальной эксплуатации. Для этого периода, как мы
знаем, интенсивность отказов деталей — величина
постоянная. Интенсивность отказов деталей определяется при
вполне определенных внешних условиях. Это, конечно,
приходится учитывать и в том случае, когда произво-
24

дится расчет надежности проектируемого изделия. Выше
мы говорили о том, что понятие «условия
эксплуатации»— очень существенно при определении любого
параметра надежности. Если этот фактор не учитывается,
то ошибка может привести к самым неожиданным
результатам. Примеров этому много. Вот один из них.
В первые годы второй мировой войны в Германии
были созданы эффективные и сложные торпеды. Эти
торпеды успешно прошли испытания в Северном море.
Нацисты решили использовать их в операции против
американского транспорта, который отправлялся в
Англию с большим количеством вооружения и боеприпасов.
Но атака подводных лодок была неудачной — торпеды
прошли, не причинив вреда транспорту. Гитлеровская
разведка заподозрила вредительство, диверсию. Что за
этим последовало, нетрудно себе представить. Одни
ученые и офицеры были расстреляны, другие брошены в
концентрационный лагерь, третьи—переведены на самый
тяжелый, русский фронт. А дело-то было
просто-напросто в том, что магнитные условия Атлантического
океана значительно отличаются от магнитных условий
Северного моря.
Иными словами, изделие необходимо защищать от
внешних воздействий и в каждом конкретном случае
приходится применять свои, специфические меры
защиты.
Как известно, радиотехнические и электронные детали
изготовляются для работы при определенном
напряжении, силе тока, температуре, влажности и т. д.
Если превышаются номинальные значения этих
параметров, интенсивность отказов деталей резко возрастает,
а при уменьшении — падает. Отсюда становится
понятным один из наиболее распространенных путей
повышения надежности радиоэлектронной аппаратуры —
облегчение режимов работы деталей. Пусть, например,
наиболее существенный фактор понижения надежности
детали — выделение тепла. Тогда можно рассмотреть
два варианта снижения вероятности ее отказа. Один —
улучшение теплоотводов, другой — применение детали,
предназначенной для работы при более высокой
температуре. Какой из этих путей наиболее целесообразен, в
каждом случае выявляется особо, после тщательного
«взвешивания» всех «за» и «против». Использование до-
25

полнительных теплоотводов, например, неизбежно
повлечет за собой повышение веса аппаратуры (причем, в ряде
случаев, значительное). Понятно, что если
рассматриваемая аппаратура должна устанавливаться на самолетах
или ракетах, от такого пути часто приходится
отказываться.
Влияние электрических нагрузок (напряжения, силы
тока и т. д.) на надежность деталей удается значительно
ослабить за счет использования деталей, которые
предназначены для работы при более напряженных режимах.
Однако и этот путь, при всей его заманчивости на
первый взгляд, далеко не всегда — самый лучший. И вот
почему.
Понижение коэффициента нагрузки однозначно
повлечет за собой уменьшение интенсивности отказов
детали. Возьмем крайний случай: коэффициент нагрузки
равен нулю; это означает, что деталь находится в
режиме хранения. Конечно, разница в надежности
работающей при большом коэффициенте нагрузки и
хранящейся детали велика. Например, для некоторых типов
конденсаторов интенсивность отказов при хранении
составляет 5-10-5 \\час, а при коэффициенте нагрузки,
равном единице, — 3,5- 10~4 l/час, т. е. в 7 раз выше.
И все же это не означает, что снижение коэффициента
нагрузки детали — универсальное средство понижения
вероятности отказа технического устройства. В
частности, понижение нагрузки часто вынуждает использовать
детали больших габаритов. Например, резистор в
радиоэлектронной схеме должен рассеивать мощность /?рас =
= 0,4 вт. Значит резистор с номинальной мощностью
Рном=0,5 вт будет иметь коэффициент нагрузки kH=
— ^£5£=0,8. Допустим, ставится задача уменьшить эту
Рном
величину в 4 раза. Проще всего задача решается, если
использовать резистор с номинальной мощностью 2 вт.
Но такой резистор по меньшей мере в 4 раза крупнее,
чем резистор с номинальной мощностью 0,5 вт. Если
аппаратура должна быть установлена, например, на
искусственном спутнике Земли, где приходится бороться
за каждый грамм веса, такая мера не вызовет
энтузиазма у конструкторов.
Далеко не всегда приемлемо снижение коэффициента
нагрузки и по другим соображениям. Дело в том, что,
26

как уже говорилось, в эксплуатацию должна поступать
приработанная аппаратура. Иными словами, каждый
завод-изготовитель сам проводит такую приработку и
передает заказчику только то устройство, у которого нет
производственных дефектов. Понижение же
коэффициентов нагрузки означает, что облегченный режим будет не
только у высококачественных деталей, но и у деталей со
скрытыми дефектами. Это приведет к тому, что период
приработки может существенно увеличиться, а граница
перехода от приработки к «зрелому» состоянию
аппаратуры станет менее резко выраженной. Возникает
неразрешимая дилемма. С одной стороны, если на заводе не
«выжечь» все детали, имеющие какие-либо существенные
дефекты, в эксплуатацию будет поступать неприработан-
ная аппаратура. С другой стороны, если приработка на
заводе-изготовителе растянется надолго, период
нормальной эксплуатации, очевидно, существенно
сократится. Более того, может даже начаться процесс
старения других деталей; в результате в эксплуатацию
поступит аппаратура, в какой-то степени перешедшая на
третий участок кривой изменения интенсивности отказов в
зависимости от времени, т. е. переживающая период
своей «старости».
Наконец, мы еще не учли и то, что
эксплуатационники будут с нетерпением ожидать поступления
аппаратуры. Да и экономические соображения
завода-изготовителя обычно требуют возможно быстрой передачи
аппаратуры в эксплуатацию. Наконец, если приработку
проходит много объектов, то завод вынужден
увеличивать площади под установку этой аппаратуры,
потреблять существенно больше электроэнергии, усганавливать
дополнительные комплекты контрольно-измерительных
устройств и т. д. Поэтому прежде, чем принимать
решение о замене типов деталей для понижения
коэффициентов нагрузки, конструктору приходится по меньшей мере
«семь раз отмерить».
А теперь рассмотрим еще один важный аспект
борьбы за надежность механических изделий. Колоссальную
роль в этой борьбе играет высококачественное
изготовление деталей и столь же высококачественная сборка
системы.
Если вследствие каких-то просмотров нарушена
технология или недостаточно внимания уделяется культуре
27

производства, то в выпускаемой аппаратуре появляются
дефекты, которые приходится устранять в процессе
дополнительных операций. Анализ показывает, что в
результате таких переделок иной раз удается использовать
только 60—70% деталей, в которых обнаружены
дефекты. Остальные 30—40% приходится отправлять в
переплавку. Но потери производства этим не
ограничиваются. Из-за того, что для исправления дефектной детали
приходится перенастраивать автоматическое
оборудование, в ряде случаев на ее исправление затрачивается
больше времени, чем на первоначальное изготовление.
Поэтому вполне понятно то широкое
распространение, которое за последнее десятилетие приобрела в
нашей стране система бездефектного производства. Эта
система учитывает, что надежность закладывается при
проектировании, обеспечивается в промышленном
производстве и поддерживается в эксплуатации. Подробное
описание системы бездефектного производства заставило
бы нас выйти за рамки этой книги. Мы расскажем здесь
только о некоторых положениях этой системы,
существенно влияющих на надежность продукции.
Система предъявляет одинаковые требования ко всем
работникам предприятия вне зависимости от занимаемой
должности. Эти требования заключаются прежде всего
в том, что контролер возвращает исполнителю
техническую документацию, деталь или партию деталей при
обнаружении первого дефекта. Если раньше
руководящие и ответственные работники обладали правом
временно разрешать сдачу технической документации или
каких-нибудь изделий с отступлением от заданных
параметров или замену материалов, то с введением системы
бездефектного производства они такое право утратили.
Прежде приемщик, получив детали от рабочего,
производил их разбраковку; годные детали пропускались на
следующие технологические операции, а негодные либо
возвращались на исправление рабочему, либо
регистрировались как полностью бракованные. Исправив
замеченные дефекты, рабочий снова сдавал детали
контролеру. При повторной проверке часто обнаруживались
новые дефекты и вся процедура повторялась. На
отдельных предприятиях в конце месяца для того, чтобы
«спасти план», отделы технического контроля старались
не быть «излишне» требовательными. Вместо того, чтобы
28

искоренять источники брака, работники старались
оформить листок отклонений. Он составлялся в том случае,
если удавалось доказать «незначительность» дефекта.
Листок отклонений практически узаконивал брак и
допускал в эксплуатацию дефектные изделия.
Теперь контролер принимает только продукцию,
которая не имеет никаких дефектов. Обнаружение любого
дефекта («большого» или «малого») приводит к
прекращению приемки и возвращению всей партии
исполнителю. Нетрудно представить, насколько тщательно
теперь каждый исполнитель проверяет дело своих рук
прежде, чем вынести его на «суд» контроля.
Система бездефектного производства стимулирует
автоматизацию производства, использование средств
малой механизации, чистоту рабочих мест и все, что входит
в понятие культуры производства. Например, на
Саратовском станкостроительном заводе установлен даже
такой порядок, при котором грязь и беспорядок на
рабочем месте исполнителя дают контролеру право вообще
отказаться от проверки качества изготовленной здесь
продукции. Комиссии, созданные из представителей
администрации и общественных организаций, регулярно
контролируют состояние рабочих мест, технологического
оборудования, производственных помещений.
На тех предприятиях, где количество деталей,
выпускаемых в течение смены, очень велико (например, за
счет работы автоматического оборудования), нет
никакой возможности произвести стопроцентную проверку
продукции. В этом случае на помощь приходят
статистические методы контроля. При таком контроле
качество партии изделий оценивают по результатам
проверки некоторой ее части. Методы математической
статистики позволяют вполне определенно вычислить, какая
часть изделий должна быть проверена, чтобы по
результатам этой выборочной проверки можно было уверенно
судить о качестве всей партии. В ряде случаев
статистический контроль целесообразно применять и на
отдельных этапах изготовления изделий. При этом удается
своевременно принять меры по необходимой регулировке
технологического процесса, чтобы поддерживать
качество изделий на заданном уровне.
Какой надежностью на самом деле обладает
техническое устройство, выясняется, конечно, только при его
29

эксплуатации. Пусть, например, расчеты в процессе
проектирования показали, что предъявляемые требования
выполнены. На этом же этапе принимались все
возможные и целесообразные меры по повышению надежности
изделия. В процессе производства никаких нарушений
технологии не допускалось. И все же до тех пор, пока
не будет доказано опытным путем, что надежность
технического устройства соответствует технической
документации, оно не будет допущено к потребителю. Такое
свидетельство изделия получают после специальных
испытаний, которые необходимо произвести в возможно
короткий срок и при минимальных затратах. Конечно,
действительная надежность технического устройства и
при этом может остаться невыясненной. Однако
предприятие-изготовитель и заказчик будут уверены, что
надежность устройства — не ниже заданной.
Часто испытания на надежность проводят так
называемым последовательным методом. Для этого метода
существуют правила, в соответствии с которыми
возможно одно из трех решений: принять, забраковать или
продолжать испытания. В том случае, когда принято
решение забраковать изделие, приходится идти на
дополнительные расходы для повышения его надежности. Это
и понятно: в современных условиях слишком велики
затраты на техническое оборудование, чтобы можно было
рисковать, применяя недостаточно надежные устройства.
Часто от исправности оборудования непосредственно
зависит безопасность или даже жизнь человека. Все это
заставляет специалистов, создающих технические
устройства, еще и еще раз проверить, все ли они сделали для
того, чтобы спроектированное и изготовленное изделие
обладало такой надежностью, которая определяется
потребностями эксплуатации.

НАДЕЖНОСТЬ СХЕМЫ
Дрейф параметров. Область безотказной работы. Метод
Монте-Карло
Мы рассказали о борьбе специалистов с внезапными
отказами. На практике же вероятность безотказной
работы любого объекта определяется не только внезапной
потерей работоспособности, но и постепенным
изменением (дрейфом) параметров изделия под воздействием
внешних условий эксплуатации и просто с течением вре-
31

мени (т. е. в процессе старения). Одинаковые
технические изделия могут иметь различную надежность даже
при одинаковых условиях эксплуатации, если в одном из
них использованы детали, у которых параметры
изменяются быстрее, чем у деталей другого.
Теперь мы перенесем свое внимание туда, где в
борьбе за надежность технических изделий не прекращается
сражение с постепенными отказами. Наибольшего
накала оно достигает в процессе проектирования.
Основной вопрос при проектировании схемы — выбор
рабочей точки или, другими словами, определение
значений параметров деталей в связи с требованием к
выходному параметру схемы. Такая точка должна быть
оптимальной по отношению к возможным изменениям
параметров деталей. Дело в том, что любая деталь
может иметь самые разные номинальные значения в
пределах того допуска, который гарантирует
завод-изготовитель. Заглянем в телевизор и рассмотрим первую
попавшуюся на глаза деталь, на которой указано номинальное
значение. Ну, скажем, резистор. Если на нем стоит
отметка номинального значения 1 ком, то это не означает,
что резистор обладает именно таким сопротивлением.
Обратите внимание: рядом с номинальным значением
указан начальный допуск на это значение, например,
±10%. Значит, сопротивление резистора может быть
любым в пределах от 900 до 1100 ом. Другое дело, что
вероятность обнаружить резистор с сопротивлением,
отличающимся от 1 ком, тем меньше, чем больше оно
отличается от своего номинального значения.
Вполне возможно, что схема, построенная на деталях
выбранного типа, класса и номинальных значений,
работает наилучшим образом. Однако так бывает не
всегда. Достаточно нескольким деталям одновременно
принять значения, хоть и находящиеся в пределах
гарантированного допуска, но сочетание которых
неблагоприятно по воздействию на выходной параметр схемы, и
схема откажет.
Выходные параметры надежной схемы, изготовленной
из серийных элементов, должны находиться в поле
заданных допусков, находиться постоянно — без
дополнительной регулировки, без специального подбора
параметров этих элементов. О такой схеме говорят, что она
обладает параметрической серийнопригодностью. Коли-
32

чественно эту характеристику оценивают вероятностью
того, что выходные параметры схемы после ее серийного
изготовления находятся в заданных пределах. Исходя из
заданных допусков на выходные параметры схемы, ее
создатели устанавливают рабочие допуски по
параметрам деталей, на которых эта схема построена. Что же
такое рабочий допуск?
Под воздействием внешних условий и с течением
времени первоначальное значение параметра детали
претерпевает изменения. Эти изменения бывают настолько
большими, что реальное значение параметра детали
выходит за пределы указанного заводом-изготовителем
начального допуска. Но до тех пор, пока это значение не
вышло за рамки рабочего допуска, схеме ничего не
грозит.
Изменения номинального значения параметра детали
бывают кратковременными и систематическими. И те и
другие происходят под влиянием внешних воздействий.
Однако в первом случае после снятия внешнего
воздействия параметр детали возвращается к первоначальному
значению, а во втором — процесс необратимый, причем
параметр чаще всего «дрейфует» в каком-то одном
направлении. Кроме того, дрейф параметров происходит и
в результате «старения» детали, т. е. просто с течением
времени. В результате дрейфа к концу срока службы
реальные значения параметров деталей многих видов
технических устройств могут в несколько раз превысить
начальное значение. Но, повторяем, пока
параметр детали не стал «нарушителем границы» рабочего
допуска, определенного при конструировании схемы, она
будет работать с достаточно высокой степенью
надежности.
Разброс параметров деталей в пределах начального
допуска и изменение их количественных характеристик
под воздействием внешних условий и с течением времени
«закладывается» при производстве деталей. В процессе
производства практически невозможно добиться полной
тождественности изделий по всем качественным
показателям. Даже в том случае, когда партия деталей
изготовлена на одном и том же оборудовании, при одном и
том же технологическом процессе, одними и теми же
рабочими, все равно контроль практически всегда
выявляет некоторую разницу в их значениях, часто довольно
2 3467 33

большую. Ну, а если одинаковые детали изготовлены в
разное время, разными рабочими, на разном
оборудовании, то различия могут оказаться еще значительнее.
Все отклонения от номинальных значений, которые
зависят от завода-изготовителя, находят свое
количественное выражение в начальном допуске. Причин
подобных отклонений много. Среди них такие, например, как
неоднородность исходных материалов, ошибки рабочих,
погрешности измерительных инструментов, деформация
деталей станка, неравномерность хода, вибрации,
неточность шкал, колебания режимов при механической и
термической обработках деталей и т. д. Все они
объединяются одним названием — производственные
погрешности.
Природа производственных погрешностей определяет
характер статистической закономерности распределения
характеристик деталей внутри поля допуска
(нормального распределения). Для него характерно плотное
сосредоточение отклонений около центра, т. е.
номинального значения, и медленное симметричное уменьшение
количества отклонений по мере увеличения их
расстояния от центра группирования.
Практика показывает, что при большинстве
технологических процессов изготовления деталей
производственные погрешности приводят к нормальному
распределению номинальных значений.
Если такое нормальное распределение изобразить на
чертеже, то построенная кривая будет по форме
напоминать вертикальное сечение колокола. Кривую
нормального распределения строят в координатах: доля
деталей с каждым конкретным значением параметра
(откладывается по вертикали) —доля отклонения от
номинального значения (откладывается по горизонтали).
Кривая нормального распределения способна служить
своего рода индикаторной диаграммой технологического
процесса. Регулярно контролируя производимые детали
по указанным показателям, можно судить о
стабильности процесса, замечать его нарушения, делать
заключения о влиянии технологических изменений и т. д. Чем
круче изменяется кривая по мере удаления от
номинального значения, тем больший процент деталей приходится
на номинальное значение, тем лучше настроен
технологический процесс.
34

Но разве производственные погрешности неизбежны?
Нет, в принципе можно так организовать производство,
что почти все детали будут характеризоваться
заданными поминальными значениями. Однако эти детали
оказались бы слишком дорогими. Обычно удается довольно
просто определить наиболее целесообразную с
экономической и технической точек зрения форму кривой
нормального распределения.
При старении деталей кривая нормального
распределения «расползается». Чем продолжительней
эксплуатация, тем шире и ниже становится сечение «колокола».
(Однако площадь, ограниченная кривой, всегда одна и
та же.) Кроме того, с течением времени перемещается
и центр группирования деталей. Чтобы оценить
надежность схемы в заданные моменты времени, необходимо
иметь информацию о вероятностных закономерностях
изменения параметров деталей с течением времени.
Поэтому приходится проводить специальные испытания,
при которых значения параметров деталей замеряют
через определенные интервалы времени. Зная
вероятность сохранения техническим устройством параметров
при старении деталей, можно рассчитать вероятность
его безотказной работы; она будет равна произведению
вероятностей полных и постепенных отказов.
В процессе проектирования выбираются различные
пути обеспечения надежности технического изделия при
изменении параметров деталей. Можно, например,
найти такое техническое решение, когда и при изменении
параметров деталей объект будет работать устойчиво.
А можно добиться того, чтобы параметры деталей
изменялись достаточно медленно и эти изменения долгое
время не могли существенно сказываться на работе
технического устройства. Наконец, возможен еще один
путь: подбор деталей, которые вообще слабо изменяют
свои параметры в процессе эксплуатации. Всем этим
направлениям специалисты уделяют внимание, отдавая
предпочтение тем или иным из них — в зависимости от
конкретных задач, предполагаемых условий
эксплуатации будущих устройств и требований экономической
целесообразности.
Решение задачи, требующее наименьших затрат
усилий (и средств), удается найти в тех случаях, когда
полностью известны зависимости выходных параметров объ-
2* 35

екта от всех параметров всех деталей, на которых
изделие построено. В этом довольно, к сожалению, редком
случае выбор рабочей точки схемы производят
математическим расчетом (в особо сложных ситуациях
используя электронные вычислительные машины). Но беда в
том, что для очень многих схем такой расчет
неприменим: в большинстве практических случаев абсолютно
точные показатели, необходимые для расчета,
определить трудно. Математические выражения, указывающие
на связь выходных параметров схем с параметрами
деталей, получают, как правило, при столь многих
упрощениях, что расчет рабочей точки можно производить
только с большими погрешностями. В этих выражениях
не учитываются «второстепенные» (по отношению к
принципу действия схемы) параметры деталей, реально
существующие «паразитные» связи и т. д. Поэтому
номинальные значения параметров деталей, выбранные в
результате расчета, требуют в дальнейшем
существенных уточнений.
Еще сложнее математически установить, какими
начальными допусками должны обладать
устанавливаемые в схему детали. Чисто математических методов
выбора типов деталей и класса их точности с учетом
постепенных изменений параметров в процессе
эксплуатации аппаратуры в настоящее время практически вообще
не существует. Поскольку в результате расчетов можно
получить только ориентировочные данные о
номинальных значениях параметров деталей, приходится
создавать макет схемы; в процессе наладки такого макета
ранее полученные данные уточняются.
Нормальная работа аппаратуры возможна только
после специального предварительного отбора деталей, а
это резко удорожает аппаратуру. Добавим, что
окончательно отработанной схему часто считают лишь после
того, как она выдержит проверку в самых тяжелых
эксплуатационных режимах и при крайних значениях
параметров деталей. И это несмотря на то, что в таких
условиях схеме почти наверняка работать не придется.
Как мы знаем, в любой партии деталей есть изделия
с параметрами, хотя и близкими к номинальному
значению, но все же отличающимися от него. Все эти
значения укладываются в определенный диапазон,
гарантируемый допуском, который указывает каждый завод-из-
36

готовитель. Возьмем худший вариант распределения
параметров деталей: допустим, что вероятность
обнаружить деталь с любым значением внутри поля допуска
одинакова. Например, предположим, что при
номинальном сопротивлении резистора 1 ком и допуске ±10%
вероятность обнаружить сопротивление 900 ом составляет
72 (примерно так же, как вероятность того, что при
подбрасывании монеты она упадет гербом или «решеткой»).
Тогда при использовании в схеме только 10 резисторов
вероятность того, что у всех деталей одновременно
окажется такое наименее благоприятное значение
сопротивления, будет О/г)10 — т. е. примерно одна тысячная!
Но и это еще не все. При проверке схемы часто
считается, что она обязательно должна работать в крайних
режимах окружающих условий, например при крайней
температуре. Предположим, как и в предыдущем случае,
что закон изменения параметра детали в зависимости от
температуры тоже равномерный. Тогда вероятность, что
все десять деталей примут наиболее" неблагоприятные
значения параметров при изменении температуры,
составит тоже примерно одну тысячную. Ну а вероятность
того, что все детали будут характеризоваться наименее
благоприятными начальным и рабочим допусками,
будет, как нетрудно подсчитать, равна одной миллионной!
В действительности же (при нормальном
распределении) вероятность крайнего значения параметра детали
минимум в сто раз меньше вероятности обнаружить у
нее номинальное значение. В связи с этим вероятность
столкнуться на практике со схемой с самым
неблагоприятным сочетанием параметров всех деталей нужно
уменьшить еще в десятки тысяч раз. А ведь для того,
чтобы схема была способной хорошо работать при
крайне неблагоприятных режимах, приходится применять
специальные меры и производить дополнительные (и
немалые) затраты. Отсюда и возникает экономическая
необходимость правильного, технически грамотного
исследования схем с целью выбора оптимального их
построения.
Любое радиоэлектронное устройство
характеризуют целой системой параметров выходных сигналов.
Например, телевизор можно характеризовать яркостью
изображения, громкостью звука, количеством каналов,
по которым производится прием передач, и т. д. Анало-
37

гично можно установить характеристики для любой
схемы. К каждому параметру схемы предъявляют строго
определенные требования. Но любой выходной параметр
схемы в свою очередь зависит от многих параметров
деталей. А так как действительная связь между
параметрами технического устройства и параметрами деталей
трудно поддается математическому описанию, на
практике для оценки схемы часто приходится применять
физическое моделирование устройств. Частные случаи
физического моделирования — граничные и матричные
испытания (о них речь чуть позже).
Все параметры любой схемы можно разделить на два
класса. К одному классу относятся все те, которые
характеризуют сигналы на выходе схемы,— выходные
параметры. Другой класс охватывает так называемые
первичные параметры. В свою очередь этот класс делится
на три группы: 1) группу внутренних параметров,
характеризующих детали схемы (сопротивление резистора,
емкость конденсатора, коэффициент усиления
полупроводникового триода и т. д.); 2) группу входных
параметров, характеризующих сигналы на входе и питающие
напряжения (амплитуда входного импульса, частота
непрерывных колебаний, напряжение источника
коллекторного питания и т. д.); 3) группу внешних параметров,
характеризующих среду, в условиях которой работает
схема (температура и влажность воздуха, ускорение
и т. д.).
При физическом моделировании прежде всего
необходимо установить критерии отказа схемы (один или
несколько) и выбрать первичные параметры,
оказывающие наибольшее влияние на те выходные параметры
схемы, значения которых приняты в качестве критериев
отказа. Как правило, выбор одного-двух наиболее
важных выходных параметров не представляет особых
затруднений — по крайней мере, в тех случаях, когда
исследуется схема, предназначенная для работы в
определенной аппаратуре. Сложнее произвести такой выбор
параметров — критериев отказа унифицированных схем,
которые предназначены для работы в аппаратах
различного назначения (к телевизорам, которые построены на
схемах подобного характера, мы все давно привыкли).
Если, например, заранее не известно, в каком
конкретном узле и в какой аппаратуре будет установлен унифи-
38

цированный усилитель, приходится предусматривать его
защиту от отказов практически по всем выходным
параметрам. Однако и в этих случаях на практике удается
выделить ограниченное число выходных параметров
(хотя и не один), при определенном изменении которых
считают, что схема отказала. Пределы изменения
выходных параметров, выход за которые недопустим,
называют критериями отказа.
Первичные параметры, изменения которых влекут за
собой наибольшие перемены в тех выходных
параметрах, предельные значения которых выбраны в качестве
критериев отказа, называют определяющими. Выбирают
эти параметры по определенным правилам, вычисляя
так называемые коэффициенты функционального
влияния. Последовательность операций при вычислении
такова. Вначале вычисляют отношение первоначально
выбранного значения первичного параметра (хи0м) к
первоначально установленному номинальному значению
выходного параметра (Утм). Затем изменяют значение
первичного параметра на некоторую величину
(например, на 5%) в обе стороны от первоначального
номинала и измеряют два новых значения выходного
параметра. Вычитая из большего значения выходного
параметра его меньшее значение, получают приращение
выходного параметра (Д#=#2 — У\). Сходным способом
рассчитывают и приращение первичного параметра.
Затем вычисляют отношение приращения выходного
параметра к приращению первичного параметра (Ах).
Произведение двух результатов деления и есть коэффициент
А у ЛГном
влияния: —.- . Таким методом можно составить
**•* Уном
таблицу коэффициентов влияния для всех деталей схемы.
Те параметры, у которых эти коэффициенты имеют
самые большие значения, считаются определяющими.
Но вот критерии отказа схемы установлены;
составлен и перечень определяющих параметров. Теперь,
наконец, можно приступить к проведению эксперимента по
выбору оптимальных номинальных значений параметров
деталей, выбору допусков на первичные параметры и
т. д., то есть к граничным или матричным испытаниям.
Что же это такое — граничные и матричные
испытания?
Из каких операций они складываются?
39

Какие выгоды дает технике их применение?
Граничными испытаниями называют
экспериментальную оценку области допустимых изменений значений
параметров элементов технического устройства в
зависимости от изменения окружающих условий и режима
работы. Здесь нам придется ввести еще один термин — без
него дальнейший рассказ невозможен. Это так
называемая область безотказной работы (ОБР). Оценивая ОБР,
специалисты и делают выводы из граничных испытаний.
Порядок построения ОБР может быть различным — в
зависимости от сложности схемы и предполагаемого ее
использования. Один из способов построения ОБР мы
сейчас рассмотрим.
Прежде всего необходимо выделить один из
первичных параметров, который теперь будет называться
граничным. Выбор граничного параметра — достаточно
сложная самостоятельная задача, связанная с
«применением» весьма противоречивых требований. Так, с одной
стороны, желательно, чтобы граничный параметр имел
самый большой коэффициент функционального влияния,
а с другой стороны, нужно, чтобы он легко и в широких
пределах менялся в обе стороны от первично выбранного
номинального значения. Отказаться от первого
требования практически нельзя. Ведь оно означает, что с
помощью изменения такого параметра удается наиболее
точно имитировать все процессы, которые происходят в
схеме при изменении номинальных значений параметров
элементов в процессе их старения. Кроме того, без учета
данного требования нельзя имитировать изменение
параметров наиболее критичных и общих схемных
элементов (например, полупроводниковых триодов). Но и отказ
от второго требования нежелателен, иначе процесс
проведения эксперимента будет существенно усложнен. Для
радиоэлектронной аппаратуры большинство
противоречий между этими требованиями удается согласовать,
когда в качестве граничного параметра выбирают
напряжение питания.
В процессе эксперимента граничный параметр
изменяют— «шагами» — в обе стороны от первично
установленного номинального значения характеристики той или
иной детали. Величина «шага» зависит от требуемой
точности исследования; чаще всего она составляет
5—10% номинального значения. Изменив граничный
40

параметр на один «шаг», начинают непрерывно менять
один из первичных параметров. Эта операция
продолжается, пока не наступит отказ схемы — в соответствии
с установленным критерием допустимого изменения
выходного параметра всей системы. Как правило, при
каждом фиксировании значения граничного параметра
удается отметить два значения (наибольшее и наименьшее)
непрерывно изменяемого первичного параметра; они
соответствуют двум допустимым (наименьшему и
наибольшему) значениям выходного параметра схемы.
Операция повторяется до тех пор, пока не будут
исчерпаны все возможности изменения этих двух
параметров— граничного и первичного, при котором схема
сохраняет свою работоспособность. Затем полученные
таким образом точки (по две для каждого значения
граничного параметра) соединяют плавной кривой. Линия
эта ограничивает область, во всех точках которой схема
в принципе может работать. Это и есть область
безотказной работы. В остальных случаях схема, конечно,
будет отказывать, какие бы значения этих двух параметров
мы ни устанавливали. Аналогичные испытания — т. е.
построение ОБР — проводятся для всех первичных
параметров с достаточно большим коэффициентом
функционального влияния.
Построив на чертежах области безотказной работы
всех деталей схемы, параметры которых обладают
достаточно большим коэффициентом функционального
влияния, приступают к их анализу. Его цель — выбор
наилучшего положения рабочей точки и определение
начальных допусков на все параметры, которые учитывались
при эксперименте. Если ОБР для какого-то параметра
оказалась симметричной (например, кругом или
квадратом) и закономерности изменения этого параметра в
зависимости от внешних условий и с течением времени
тоже выражаются симметричными кривыми (например,
кривой нормального или равномерного распределения),
то рабочую точку выбирают в центре ОБР. В тех же
случаях, когда ОБР смметрична, а кривые, отражающие
закономерности изменения параметров, не обладают
симметрией, выбор начальных значений сложнее.
Однако наличие подобных трудностей не помешало
специалистам разработать достаточно простые методы,
позволяющие установить, какими должны быть номинальные
41

значения каждого параметра, чтобы схема работал!
наилучшим образом. Удается выбрать оптимальные
номинальные значения параметров и в тех случаях, когда
закономерности их изменения выражаются
симметричной кривой, а ОБР симметрией не обладает. Больше
того, даже когда свойством симметрии не обладают ни
область безотказной работы, ни закономерности
изменения параметров под воздействием внешних условий и
с течением времени, оптимальные номинальные значения
параметров выбрать все-таки возможно.
Те же характеристики параметров (ОБР и
закономерности изменения) приходится учитывать и при
установлении начального допуска. Самый простой случай —
при использовании настолько высокостабильных деталей,
что их параметры слабо подвержены изменениям под
воздействием внешних условий и с течением времени.
Тогда главное так выбрать допуск, чтобы вероятность
выхода значений, ограничивающих допуск, за пределы
ОБР была наименьшей. Как правило, в подобных
случаях выбирают такой допуск на параметр, что его
крайние точки находятся внутри ОБР. Участок,
ограниченный четырьмя крайними точками, называется рабочей
областью (РО). Чем меньше отношение площади РО к
площади ОБР, тем, понятно, устойчивей будет схема в
процессе эксплуатации. Ведь это означает, что, в
среднем, рабочей точке нужно пройти более длинный путь,
чтобы достигнуть границы ОБР (за пределами которой,
напоминаем, наступает отказ схемы).
В процессе проектирования аппаратуры нередко
приходится решать задачу выбора наилучшей схемы из
нескольких. Причем все они предназначены для
выполнения одних задач, имеют одинаковые выходные
параметры, характеризуются равными вероятностями
безотказной работы по полным отказам и всем другим
характеристикам. Казалось бы, обоснованный выбор в подобной
ситуации вообще невозможен. Но вот конструктор
призывает «на помощь» графики областей безотказной
работы и отношения площадей РО и ОБР. Та схема,
которая обладает наибольшей ОБР и наименьшим
отношением РО к ОБР, и получает «путевку в жизнь».
К сожалению, далеко не всем схемам удается
получить такую «путевку», пройдя граничные испытания.
Речь идет не только о схемах, которые бракуются по ре-
42

зультатам граничных испытаний. Есть схемы, которые к
таким испытаниям вообще не допускаются — это схемы
со сложными связями между первичными параметрами.
А со схемами этого рода на практике приходится
встречаться очень часто. Таков первый недостаток метода
граничных испытаний.
Далее, при граничных испытаниях не учитывается,
что зависимость каждого варьируемого параметра от
остальных (которые остаются неизменными в процессе
построения каждой ОБР) существенно сказывается на
форме и границах РО исследуемой схемы. Недостатком
граничных испытаний безусловно можно считать и то, что
в процессе их проведения не учитывают одновременное
воздействие на схему нескольких внешних условий
(например, температуры, вибрации, влажности). Вот почему
при оценке сложной схемы специалисты обращаются к
более совершенному методу физического
моделирования — к матричным испытаниям. Эти испытания не
накладывают никаких ограничнеий ни на количество
первичных параметров, номинальные значения которых
должны быть оптимизированы, ни на силу взаимосвязи
между параметрами, ни на число параметров внешних
воздействий.
Матричные испытания проводят в определенной
последовательности, которая записывается в виде матрицы
(это математическая форма записи группы символов,
располагаемых в виде прямоугольной таблицы, состоящей
из определенного числа столбцов и строк). Перед
составлением матрицы для испытаний схемы проводят
большую подготовительную работу. Значительная ее
часть нам уже знакома: выбор и четкая формулировка
критериев отказа, составление перечня первичных
параметров, номинальное значение и начальные допуски
которых должны быть уточнены по результатам испытаний.
Этим, пожалуй, и ограничивается сходство матричных и
граничных испытаний. Что же касается различия этих
методов, то сильнее всего они проявляются, когда
должны быть оптимизированы номинальные значения многих
первичных параметров (по крайней мере, больше трех).
В процессе подготовки к матричным испытаниям
прежде всего нужно вычислить диапазон возможного
изменения каждого первичного параметра под
воздействием всех видов внешних влияний. Это и понятно: рас-
43

четы можно провести только когда известны
закономерности изменения каждого параметра под воздействием
всех внешних влияний. Эти изменения имеют
вероятностный характер; в предыдущей главе мы об этом
упоминали. Так, большинство резисторов изготовлено из таких
материалов, у которых при повышении температуры
сопротивление может как увеличиться, так и уменьшиться.
Однако расчет диапазона возможного изменения
проводится в предположении, что каждый параметр
изменяется под влиянием внешних условий только в сторону
увеличения. Другими словами, рассчитывают наибольший
возможный диапазон изменения каждого параметра.
Высчисленный таким образом диапазон изменения
разбивают на некоторое число участков. Число это
зависит от того, с какой точностью нужно определить
номинальное положение рабочей точки (чем выше требуемая
точность, тем больше участков и тем эти участки
короче). В процессе испытаний каждый участок будет
представлять только одна его точка. Чаще всего такой
точкой считают середину участка; это необязательно, но
так удобнее. В исследуемую схему устанавливается
деталь с тем значением, которое параметр имеет в этой
точке. После того, как для всех первичных параметров,
подвергающихся испытаниям, выбраны подобные
«представители» участков, составляют матрицу ситуаций.
В этой матрице перечислены все возможные состояния
(ситуации) схемы. В каждой ситуации любой
представитель параметра может встретиться только один раз;
понятно, что ситуация составляется обязательно из
представителей всех параметров испытаний. Иными словами,
общее число возможных ситуаций схемы равно
произведению чисел участков всех определяющих параметров.
Отметим, что чем больше в схеме определяющих
параметров (параметров испытаний), тем более
целесообразно применять именно матричные, а не граничные
испытания.
А теперь рассмотрим конкретный пример составления
матрицы. Для простоты и наглядности мы выбрали
схему, у которой всего два определяющих параметра.
Обозначим первый параметр х\, а второй — х^. Допустим,
что диапазон возможного изменения каждого из них
вычислен. Допустим также, что исходя из требований к
44

точности результатов испытаний установлено
целесообразное число участков разбиения — например, четыре
для каждого параметра. Тогда всего ситуаций должно
быть 16. Для составления каждой ситуации введем в
индекс обозначения каждого участка (от 1 до 4). Значит,
представители участков диапазона изменения первого
параметра: #ц, х\2, #13, #н, а второго параметра,
соответственно: ЛГ21, #22, #23, #24. Теперь легко составить все
возможные 16 ситуаций схемы: а\=Х\\Х2\\ а2=#п#22', аз =
= #11#23; СС4 = #11#24; а5 = #12#2Г, аб = #12#22*, а7 = #12#23*, «8 =
=#i2#24; ...; ai6=#H#24. Матрица же ситуаций будет
состоять из двух строк и восьми столбцов: в первой строке
будут последовательно выписаны первые 8 ситуаций, а
строго под ними — вторые 8 (от 9 до 16).
После этого производят теоретический анализ
матрицы ситуаций. Задача анализа — сразу же «отсеять» те
состояния, при которых работоспособность (или
неработоспособность) схемы очевидна. Например, может
оказаться вполне ясным, что при значении первого
параметра #13 и второго #22 схема будет работать, а при
значении первого параметра #ц и второго #2i — не будет.
Тогда при испытаниях не имеет смысла исследовать
схему в ситуациях си и аю. В тех же ситуациях, когда
не удается вполне определенно утверждать, как будет
вести себя схема, ее «поведение» проверяется
экспериментально.
Заменяя детали в процессе эксперимента, создают
модели схемы для всех ситуаций и замеряют выходные
параметры, предельные значения которых приняты в
качестве критериев отказа. А затем наступает время
оценок. Первая и самая важная из них — определение
вероятности безотказной работы схемы (по постепенным
отказам). Если эта оценка дает достаточно высокие
показатели, от дальнейшего усовершенствования схемы во
многих случаях можно отказаться. Проще всего
произвести подобную оценку, когда для всех зависимостей
параметров и для всех ситуаций статистические
закономерности распределены равномерно. Тогда достаточно
определить и оценить отношение числа ситуаций, в
которых схема была работоспособной (лраб), к числу
ситуаций, в которых схема была исследована (N): рп0(1Л— -^-
При этом «на равных» в соответствующие числа вклю-
45

чаются те ситуации, анализ которых производился
теоретически.
Вторая оценка, которую делают на основании
результатов испытаний,— установление номинального значения
для каждого определенного параметра. Сделать это
тоже достаточно просто — сопоставляя с представителем
каждого участка то число отказовых ситуаций, в
которых он принимал участие. В нашем случае
представитель каждого участка «работал» в четырех ситуациях.
Если все эти ситуации — отказовые, то ему приписывают
цифру 4, если же во всех, этих ситуациях схема работала
нормально,— 0. Допустим, что для представителей
участков второго параметра количество отказовых ситуаций
распределилось следующим образом: Х2\— 4, Х22 — 2,
#2з—1, #24 — 0. Понятно, что последний вариант —
самый выгодный. Поэтому необходимо рассмотреть вопрос
об установлении такого номинального значения второго
параметра, которое соответствует значению,
представленному участком х24.
Заметим, что такое решение — не окончательное (и
не очевидное). Нужно сопоставить этот результат с
вероятностной характеристикой распределения значений
параметров. Может оказаться следующее: вероятность,
что параметр примет значение x2i, пренебрежимо мала
по сравнению с вероятностью для Х2а\ установление
номинального значения х2а для второго параметра
потребует каких-то дополнительных затрат (например,
повторных испытаний); первоначально выбранное
номинальное значение х2г встречается с вероятностью, во
много раз превышающей вероятность любого другого
представителя участка. Иными словами, лишь после
тщательного анализа можно принять решение изменить
или оставить первоначально выбранное номинальное
значение параметра.
Во многих случаях матричным испытаниям
подвергаются схемы с большим числом определяющих
параметров, диапазоны изменения каждого из которых
разбиты на большое число участков. Возьмем для примера
схему, у которой 2,5 миллиона ситуаций — и это еще не
самое большое из принципиально возможных чисел!
Если на проверку работоспособности схемы в каждой из
них затрачивается не более 30 секунд, то полное
исследование в соответствии с матрицей потребовало бы
46

больше двух лет круглосуточной работы. Поэтому
матричные испытания, как правило, проводят, используя
специальный автомат. Не вдаваясь в подробности его
устройства, отметим, что автомат матричных испытаний
осуществляет по заданной программе все ситуации
полной матрицы; запоминает схемы в осуществленной
ситуации на все время проверки ее работоспособности;
проверяет работоспособность схемы в каждой ситуации;
регистрирует количество отказовых ситуаций,
соответствующее каждому участку. Наконец, проверив
работоспособность схемы в последней ситуации, он
автоматически прекращает работу. Одним словом, этот «умный»
прибор сам проводит испытания.
Казалось бы, лучше этого устройства и пожелать
ничего невозможно. Но постоянное увеличение сложности
технических изделий и все более строгие требования к
их надежности уже привели к тому, что даже автомат
матричных испытаний далеко не всегда удовлетворяет
специалистов. Он просто «не в состоянии» провести
исследования схем с очень большим числом
определяющих параметров при большом количестве участков
разбиения каждого из них. В принципе, конечно, возможно
построить автомат, который сумеет самостоятельно
проводить и такие испытания. Но вот его целесообразность
вызывает сомнение. Дело в том, что физические
процессы, которые происходят в исследуемой схеме,
ограничивают скорость, с которой автомат может работать.
Например, проверка схемы более чем в 10 ситуациях за
одну секунду часто не допускается — иначе автомат
припишет схеме такие свойства, которыми она не
обладает. Вот почему исследования, несмотря на их
автоматизацию, могут оказаться слишком длительными.
Специалисты нашли выход из этого положения,
использовав так называемый метод Монте-Карло. (Уже
само это название говорит о том, что мы вновь
столкнемся с теорией вероятностей: ведь город-курорт Монте-
Карло— столица азартных игр.) Причем математики
применяют этот метод не только в тех случаях, когда
хотят численно решить задачи, для которых слишком
велик объем вычислений, но также и если нет точных
формул для описания исследуемого процесса. В этих
случаях моделируют случайный процесс и используют
статистические оценки вероятностей для приближенного
47

решения задачи. Вместо вычисления сложных
математических выражений экспериментально определяют
значения соответствующих вероятностей. Правда в силу своей
природы метод Монте-Карло не позволяет добиться
высокой точности в решении задач. Но для инженерной
практики точность в 0,1 — 1°/о максимального значения
(а она вполне может быть достигнута при методе Монте-
Карло) чаще всего вполне достаточна.
В технике, как и в математике, одна из
первостепенных проблем, решаемых с использованием метода
Монте-Карло,— выработка случайных чисел с равномерным
распределением. Наиболее простой метод получения
равномерного распределения чисел основан на выборе
так называемой «середины произведения». При
использовании этого метода вначале берут какое-нибудь
произвольное число, единственное требование к которому —
чтобы оно состояло из четного количества (2л) двоичных
цифр. Затем это число возводят в квадрат. В результате
получают еще одно число, которое естественно состоит
из \п двоичных цифр. Из полученного в свою очередь
выбирают новое число, которое состоит опять из 2/г, но
только средних, двоичных цифр — например, от (я+'1)-ой
до Зя-ой. Это число — случайное. В дальнейшем процесс
повторяется в той же последовательности.
Иногда применяют другой простой способ получения
случайных чисел. Сначала по известным формулам
вычисляется иррациональное число, например, я.
Отличительная черта иррациональных чисел заключается в том,
что их дробная часть — непериодическая. «Вырезая»
конечное число цифр дробной части такого числа,
получают последовательность случайных чисел, каждое из
которых имеет заданное количество разрядов. Примером
другого иррационального числа может служить
основание натуральных логарифмов 6 = 2,71828... Построим ряд
чисел, в котором каждое последующее отличается от
предыдущего тем, что основание натуральных
логарифмов умножено на целое число натурального ряда чисел,
на единицу большее, чем предыдущее, т. е. построим ряд
чисел пе9 где п=1, 2, 3... Это будут числа 2,71828...;
5,43656...; 8,15484...; 10,87312... Выпишем теперь первые
четыре знака после запятой. Тогда получим числа 7182,
4365, 1548, 8731... Так мы получим сколько угодно
четырехзначных чисел, равномерно распределенных в интер-
48

вале от 0001 до 9999. (Действуя по этому же принципу,
можно получить и ряд рациональных чисел. Но тогда
числа, начиная с некоторого, стали бы повторяться.
В том-то и преимущество иррациональных чисел, что
построенный из них ряд — бесконечный.)
Можно указать еще на один, весьма любопытный и
на первый взгляд довольно неожиданный метод
получения случайных чисел, основанный на использовании
шумов электронных приборов. (Напомним, что шумами
называют беспорядочные непериодические колебания
напряжения или тока, возникающие в различных
деталях— лампах, резисторах, полупроводниковых приборах
и т. п.) Основная интересующая нас сейчас особенность
шумового колебания — полная неопределенность
величины импульса тока или напряжения в любой конкретный
момент времени. Невозможно предсказать и момент
появления такого импульса тока или напряжения. Это
означает, что шум по природе своей явление случайное.
В технике хорошо разработаны методы, которые
позволяют каждое расположение электрических сигналов
(импульсов тока, например) строго однозначно
сопоставить с определенным числом. Так, приписывая каждой
последовательности импульсов электрического шума
соответствие определенному числу, создают случайные
числа.
Применение метода Монте-Карло к матричным
испытаниям позволяет проверять работоспособность
исследуемой схемы не во всех ситуациях матрицы ее
возможных состояний, а только в некоторых, выбираемых
случайно. А это означает прежде всего, что использование
метода Монте-Карло становится все более
целесообразным по мере роста количества ситуаций в матрице.
Сравните, например, три пары чисел. Если в матрице
миллион (106) ситуаций, то с применением метода
Монте-Карло для оценки схемы достаточно осуществить
(и проверить работоспособность схемы в каждой из них)
только 300 тысяч ситуаций. Далее, если в матрице
миллиард (109) ситуаций, то можно оценить схему,
проверив 330 тысяч ситуаций. Если, наконец, в матрице 1024
степени ситуаций, то метод Монте-Карло позволяет
ограничиться обработкой лишь 400 тысяч ситуаций. Но,
конечно, и 300—400 тысяч ситуаций — это очень много. Вот
почему испытания такого рода можно производить толь-
49

ко автоматически. Устройство для матричных испытаний
с использованием метода Монте-Карло создано и
называется оно автоматом статистических испытаний.
Это замечательное устройство. Оно дает возможность
оценить вероятность безотказной работы исследуемой
схемы по постепенным отказам для любого заданного
момента времени. Позволяет оптимизировать
надежность схемы путем выбора оптимальных номинальных
значений параметров деталей этой схемы по результатам
испытаний. «Сердце» автомата генератор случайных
чисел работает в принципе так же, как и тот, в основе
действия которого лежит использование шумов электронных
приборов. Но этот генератор обладает еще одним
чудесным свойством: последовательности его сигналов (чисел)
распределены во времени равномерно.
Первое знакомство с автоматом статистических
испытаний как будто состоялось. А теперь мы кратко опишем
его устройство и расскажем, как он работает. Автомат
состоит из генератора случайных чисел, распределителя,
блоков контроля и регистрации отказов, счетчика и
блока индикатора. Равномерное распределение случайных
чисел, которые вырабатываются генератором,
распределитель трансформирует в распределение,
соответствующее каждому определяющему параметру. На входы
распределителя поступают электрические потенциалы: они
«представляют» числа, вероятности появления каждого
из которых равны. Затем распределитель дает команду,
и блок перебора подключает к схеме представителей
участков всех определяющих параметров. Затем в
работу вступает блок контроля — он проверяет
работоспособность схемы в этой ситуации.
Блок регистрации отказов фиксирует число отказо-
вых ситуаций, соответствующих каждому участку
каждого параметра. Блок индикатора позволяет визуально
наблюдать за выходными сигналами схемы (он
представляет собой осциллограф, на экране которого видно,
действительно ли схема в данной ситуации оказалась
неработоспособной). Счетчик ситуаций регистрирует
количество всех ситуаций, осуществленных в процессе
испытаний. После того, как он отметит столько
ситуаций, сколько нужно было создать, автомат прекращает
работу.
50

В ряде случаев аналитическую зависимость
выходных параметров схемы от первичных удается найти при
использовании метода планирования экстремального
эксперимента. Основная задача при этом заключается в
отыскании математической модели схемы на основе
специальным образом проведенного физического
моделирования. Наличие такой математической модели
чрезвычайно полезно. Она позволяет определить оптимальные
номинальные значения первичных параметров схемы
(как правило, с использованием электронной
вычислительной машины). Более того, с ее помощью можно
прогнозировать надежность схемы по постепенным
отказам в любой наперед заданный момент времени
периода эксплуатации с учетом производственного
разброса параметров элементов схемы, внешних параметров и
взаимного влияния внутренних параметров и их
изменений.
Исходными данными для определения
функциональной связи между выходными и первичными параметрами
являются: принципиальная электрическая схема
исследуемого устройства; законы изменения номинальных
значений и допусков элементов схемы во времени;
перечень выходных параметров, по которым будет
проводиться оптимизация устройства; условия и время
эксплуатации (температура, влажность, давление,
гарантийный срок службы); доверительная вероятность и
допустимая ошибка при проведении опытов для
вычисления необходимого количества ситуаций первичных
параметров в каждой строчке матрицы планирования.
(Надеемся, что читатель извинит авторов за это
суховатое для популярной книги перечисление.)
Для специалистов в методе планирования
экстремального эксперимента наиболее важно, пожалуй, то,
что он позволяет найти более точную по сравнению с
известной математическую модель исследуемой схемы с
учетом воздействующих на нее внешних факторов. Так
же, как при методе матричных испытаний,
эффективность метода планирования экстремального
эксперимента тем выше, чем сложнее исследуемая схема.
Терминология метода несколько отличается от
знакомой нам по ранее описанным методам. Так, параметр
схемы, подлежащий оптимизации, называется функцией
отклика:
51

где Xi,x2,...,xk — независимые переменные, которые
можно варьировать при постановке эксперимента; их
называют факторами. Координатное пространство с
координатами Х\, х2, ..., хи называют факторным
пространством.
Поскольку исследование проводится при неполном
знании механизма изучаемых явлений, то, естественно,
аналитическое выражение функции отклика неизвестно.
В общем случае функцию отклика представляют
полиномом
k k k
который называют регрессией.
Ро. Р/, hi, hi,--.~
теоретические коэффициенты регрессии, определяемые
частными производными следующего вида:
, _ д^
12 -ч -ч I • • • >
OXi ОХ2
»1=
dxi
| Г2 -ч >
дх2
Pu = j-
• • • ,
дх\'
Легко заметить, что коэффициенты регрессии при
линейных членах (р*) есть нечто иное, как коэффициенты
влияния первичных параметров, а коэффициент (30—
значение выходного параметра исследуемой схемы при
номинальных значениях первичных параметров.
Используя результаты эксперимента, можно
определить только выборочные коэффициенты регрессии b0, biy
bijy Ьц, которые представляют собой оценки
теоретических коэффициентов регрессии. Это значит, что на
основании опыта исследователи получают выборочную
оценку функции отклика:
д k k k
/-1 i<j /-1
52

Процесс исследования разбивается на этапы. После
каждого из них исследователи получают новую
информацию и, основываясь на ней, принимают решение о
целесообразности изменения стратегии исследования. На
математическом языке задача планирования
эксперимента упрощенно формулируется следующим образом:
на каждом этапе исследования нужно выбрать
оптимальное, в некотором смысле, расположение точек в
факторном пространстве для того, чтобы получить
определенное представление о поверхности отклика.
Один из наиболее важных этапов исследования — так
называемый полный факторный эксперимент (ПФЭ).
Для его проведения в диапазоне возможного изменения
каждого первичного параметра выделяются два
значения (верхнее и нижнее) с некоторым шагом отклонения
от первоначально выбранного номинального. Затем в
соответствии с матрицей ситуаций проводится эксперимент,
и в каждой ситуации (щ) регистрируется значение
выходного параметра (yi). При полном факторном
эксперименте реализуются все возможные неповторяющиеся
комбинации значений (уровней) первичных параметров.
Таким образом, полным факторным экспериментом
называется эксперимент, реализующий все возможные
неповторяющиеся комбинации первичных параметров,
каждый из которых варьируется на двух уровнях. Методом
ПФЭ можно получить математическое описание
изучаемой схемы в виде неполного квадратного уравнения.
Оценки для свободного члена и коэффициентов при
линейных членах уравнения регрессии производят
следующим образом:
N jv
1=1 /-1
Аналогично оценивают значения коэффициентов при
других членах уравнения регрессии.
При экстремальном эксперименте вначале ищут
условия оптимальности первичных параметров. Для
этого исследуют поверхность отклика на небольшом
участке, ограничиваясь линейным приближением. Дойдя
до области, в которой находится оптимум, ставят такой
эксперимент, который позволяет получить существенно
более полное представление о поверхности отклика,
53

аппроксимируя ее полиномами второго или третьего
порядка.
На каждом этапе составляется своя матрица
ситуаций. Но в отличие от ранее описанных матричных
испытаний, в каждой ситуации регистрируют конкретное
значение выходного параметра с тем, чтобы в дальнейшем
вычислить коэффициенты уравнения регрессии. В тех
случаях, когда количество ситуаций чрезвычайно
велико, проводят так называемую рандомизацию матрицы,
т. е. используют метод статистических испытаний.
Знание вероятности безотказной работы схемы по
полным и постепенным отказам позволяет выбрать
наилучший вариант ее построения. Как читатель уже знает,
по сути расчета надежности схемы с точки зрения
полных отказов получается, что всегда лучше та схема, в
которой меньше деталей. Но, рассуждая таким образом,
можно дойти до абсурда и сделать вывод, что любая
деталь в схеме — нежелательный элемент, даже та,
которая позволяет улучшить характеристики работы схемы.
Вот почему, лишь добавив расчет надежности схемы по
постепенным отказам, мы узнаем ее истинное «лицо».
Только та схема лучше, у которой меньше произведение
вероятностей как по полным, так и по постепенным
отказам.

ДУБЛИРУЮЩИЙ СОСТАВ
Параллельное соединение. Мажоритарный элемент.
Миниатюризация и надежность
«Эти двигатели нужны были только для того, чтобы
чуть-чуть уменьшить огромную скорость движения
капсулы по орбите...
Если не сработают все три двигателя, задачу могут
выполнить и два. Даже один двигатель может
обеспечить возвращение космонавта на Землю. Правда, путь
55

через атмосферу будет долгим, капсула накалится
ужасно— но все же доставит его на Землю, домой!
Конструкторы этого маленького тормозного отсека
предусмотрели все. На каждом двигателе было по два
воспламенителя. Нужен был всего один, но с двумя
надежнее. Для воспламенителя требовался лишь один
электрозапал, но на каждом воспламенителе их было по
два. Проводники от батарей расположили так, что ни
обрыв одного провода, ни отказ одной батареи и одного
двигателя не могли помешать системе выполнить задачу.
Система была абсолютно надежной. В ней было
такое обилие узлов, что даже дублирующие системы в
свою очередь дублировались...
И все-таки где-то оказалось слабое место.
Оно и подвело.»
Это отрывок из книги американского ученого и
журналиста, в прошлом известного летчика М. Кэйдина
«В плену орбиты», который, по словам
летчика-космонавта СССР Г. С. Титова, как «...правительственный
консультант по вопросам космонавтики,
непосредственный участник всех американских программ по освоению
космоса... превосходно, «из первых рук» знает суть
материала». Отрывок этот приведен здесь не для того,
чтобы еще раз подчеркнуть невозможность добиться на
практике абсолютной, 100-процентной надежности, хотя
и это следует иметь в виду. Хотелось бы, чтобы читатель
обратил внимание на то, что М. Кэйдин считает
важнейшим средством достижения высокой надежности
технической системы. Подобно тому, как в футболе одним из
залогов успешного участия команды в играх первенства
служит, по выражению спортивных обозревателей,
«длина скамейки» (т. е. наличие достаточного количества
хороших игроков в запасном и дублирующем составе),
высокая надежность функционирования сложной
технической системы достигается резервированием —
параллельным включением дублирующих элементов.
Дело в том, что зачастую упрощения схемных
решений (уменьшение числа деталей), снижения
напряженности работы деталей и узлов, применения
высоконадежных элементов схемы и других методов увеличения
вероятности безотказной работы может оказаться
недостаточно. В таких случаях резервирование —
единственное средство, обеспечивающее высокие показатели на-
56

дежности. Если применен этот эффективнейший способ
повышения надежности системы и если какой-либо ее
элемент откажет, вместо него включается другой,
резервный, который будет выполнять те же функции.
Следует помнить, что надежность параллельно соединенных
элементов всегда выше надежности одного наиболее
надежного элемента. (Правда, приходится сразу же
оговориться, что такое утверждение несколько условно. Но об
этом будет рассказано позже. А сейчас мы рассмотрим
различные способы включения резерва.)
Основной параметр резервирования — его кратность.
Под кратностью резервирования понимают отношение
числа резервных объектов к числу резервируемых
(основных). Целой кратностью характеризуется
резервирование, при котором для нормальной работы
дублированного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя
бы один объект. Простейший вариант данного способа
повышения надежности — резерв из одного элемента.
Отказ такого устройства произойдет, лишь если откажут
оба элемента.
На примере дублирования можно рассмотреть,
насколько вообще целесообразно применять резервные
детали. Представим себе объект Л, к которому в течение
всего времени работы присоединен резервный объект Б.
В любой момент может возникнуть одна из следующих
ситуаций: 1) оба объекта исправны; 2) объект Л
отказал, объект Б нормально работает; 3) отказал объект 5,
но исправен объект Л; 4) отказали оба объекта. В трех
первых случаях работоспособность системы нарушена
не будет.
Вероятность того, что оба объекта в какой-то
момент времени t исправны, определяется произведением
вероятностей безотказной работы обоих объектов —
Pa (t) • рв (t). Вероятность того, что объект Л исправен
и отказал объект 5, определяется произведением
вероятности безотказной работы объекта Л на вероятность
отказа объекта Б. Но вероятность отказа объекта Б это
1—ps (t), так как объект может находиться только в
двух состояниях: работоспособном или отказовом.
Значит, вероятность второго состояния можно
определить как pA(t) -[1 — Рб (t)]. Вероятность возникновения
третьей ситуации определяется произведением
Рб (t) *[1—Ра (01- А вероятность безотказной работы
57

системы в целом равна сумме вероятностей всех
рассмотренных ситуаций, поскольку никаких других
ситуаций с работоспособным состоянием системы больше нет.
Если резервное устройство точно такое же, как
основное, и работают они одновременно, резерв называют
нагруженным. При нагруженном резервировании
вероятности безотказной работы всех параллельно
включенных устройств, конечно, одинаковы. Вероятность
безотказной работы системы, состоящей из двух
одинаковых устройств, определяется формулой P(t)-=
=PA(t)-[2—pA(t)l Допустим, что рА (t) = 0,9. Тогда
Р(£)=0,99, т. е. применение нагруженного дублирования
повысило вероятность безотказной работы на 10%.
Много ли это? Ответим на вопрос небольшим примером.
Если, например, вероятность безотказной работы
оборудования ракеты 0,9, то, в среднем, примерно одна из
десяти ракет не попадет в цель. Применение названного
метода дублирования изменит это соотношение так, что
теперь задание будут выполнять, в среднем, уже 99
ракет из каждых 100, покинувших стартовую площадку.
Но не следует думать, что такое повышение
надежности— предел. Мы рассмотрели случай наиболее
неэкономного расходования деталей. Те же детали можно
использовать иначе — дублировать не все устройство в
целом, а по частям. Допустим, что весь объект состоит
из 400 узлов и вероятность безотказной работы каждого
из них равна 0,99. Вероятность безотказной работы
такого устройства — только 0,02. Теперь задублируем
каждый узел. Как нам известно, в этом случае вероятность
безотказной работы любого узла на 10% выше и
составляет 0,999. Зато вероятность безотказной работы
всего устройства станет равной 0,69, т. е. повысится в
34,5 раза!
Резервное устройство подключают к основному по-
разному: либо постоянно, либо только тогда, когда
основное откажет,— в зависимости от конкретных
условий. Причем слово «подключают» в ряде случаев носит
чисто символический характер. Если, например, две
одинаковые электронные вычислительные машины
одновременно решают одну и ту же задачу, то это тоже
постоянно включенное нагруженное дублирование, хотя
никакого физического соединения здесь нет. Однако чаще
постоянное резервирование осуществляется непосредствен-
58

ным соединением основного и резервного элементов.
Главные достоинства постоянного резервирования
заключаются в простоте включения и мгновенной
готовности резерва к работе.
Постоянное резервирование — самое простое и
экономичное. Но при его использовании приходится
предпринимать специальные меры, чтобы отказ одного из
параллельно включенных объектов не влиял на
работоспособность другого. Действительно, при резервировании
резистора учитывают, что наиболее характерная причина
его отказа — перегорание проводящего слоя, т. е. как
говорят специалисты, отказ типа «обрыв» (для многих
типов резисторов 96% отказов приходится именно на
этот вид, и только 4°/о — на отказы типа «короткое
замыкание»). Это означает, что при резервировании
дублирующий резистор нужно включать действительно
параллельно основному. Но как только наступит отказ
основной детали, немедленно изменится сопротивление между
точками подключения деталей, увеличится ток через
исправный резистор, а значит, и выделяемая мощность.
Этого вполне достаточно, чтобы и оставшийся резистор
сгорел. Поэтому параллельное соединение резисторов
выполняют таким образом, чтобы отказ одной детали не
вызывал резкого изменения проводимости всей цепи.
В частности, с этой целью применяют резервирование с
дробной кратностью.
В случае резервирования с дробной кратностью
нормальная работа резервированного соединения возможна
при условии, если число исправных объектов не меньше
необходимого для нормальной работы. Вот почему,
резервируя резисторы, параллельно соединяют не две, а
несколько деталей. В результате отказ системы не
наступает при отказе любого одного резистора в
соединении (но может наступить при отказе двух и более
резисторов). Это и есть резервирование с дробной
кратностью.
Рассмотрим еще один пример такого резервирования.
Пусть для питания некоторой нагрузки используются
пять параллельно работающих генераторов, причем
любой из генераторов может выдерживать достаточно
долго 25-процентную перегрузку (от номинального
режима). Очевидно, что при отказе любого одного генератора
четыре исправных генератора будут иметь перегрузку на
59

25% (при нормальной общей нагрузке, конечно) и
смогут выполнять свои функции, хотя вероятность отказа
каждого из них возрастет. Иными словами, для
надежной работы системы достаточно иметь четыре генератора
при одном резервном.
Однако резервирование далеко не всегда означает,
что дублирующий объект соединен с основным
параллельно в графическом, если можно так выразиться,
понимании этого слова. Это связано с видом наиболее
характерных отказов резервируемого объекта. Например,
для бумажных конденсаторов отказы типа «обрыв»
составляют только 17%, а отказы типа «короткое
замыкание»— 83%. Значит, при резервировании конденсаторов
дублирующая деталь должна быть соединена с основной
последовательно. При этом, конечно, приходится
учитывать все неприятные последствия отказа любого
элемента. Отказ одного конденсатора приведет к тому, что к
другому будет мгновенно приложено большое
напряжение. Если конденсатор не рассчитан на работу при
таком напряжении, может вновь произойти отказ типа
«короткое замыкание». Кроме того, отказ одного
конденсатора вызовет изменение емкости в соответствующей
цепи. Аналогичного вида трудности встречаются и при
резервировании других деталей и устройств.
Что же это — новое непреодолимое препятствие?
Ничуть не бывало. Со всеми этими трудностями
специалисты научились справляться. В частности, для этого
применяют включение резерва только после отказа
основного, т. е. используют так называемый метод
резервирования замещением. При этом, разумеется, необходимо
ставить специальный переключатель, который отключает
отказавшую основную деталь и включает резервную.
Резервирование замещением практически гарантирует, что
необходимость регулировки параметров устройства
после отказа основного изделия и включения резервного
не возникает. Кроме того, до момента, пока он не
потребуется, резервный элемент может находиться в
облегченном (ненагруженном) состоянии. Значит, резервное
изделие, пока в его работе нет необходимости,
«отдыхает». Это в свою очередь означает, что экономится
ресурс технического устройства, поскольку, как нам
известно, чем менее напряженный режим работы деталей,
тем ниже интенсивность их отказов, тем они надежней.
60

Если в ненагруженном состоянии вероятность отказа
устройства пренебрежимо мала, то преимущества
облегченного резерва особенно очевидны. Так при
нагруженном дублировании средняя наработка до отказа
технического устройства увеличивается в 1,5, а ненагруженное
дублирование приводит к увеличению средней наработки
до отказа в 2 раза.
Резервирование замещением обладает и тем
существенным преимуществом, что один резервный объект
может быть использован для замены, если в ней возникает
потребность, любого из нескольких однотипных. Такой
вид резерва называют скользящим. Заметим, кстати, что
скользящее резервирование — один из видов
резервирования с дробной кратностью.
Но как ни действенно резервирование замещением в
целях повышения надежности, без пары «ложек дегтя»
здесь все же не обошлось. Дело в том, что этот вид
резервирования невозможен без использования
переключающих устройств, а они идеальной надежностью не
обладают. Правда, во многих случаях удается построить
переключающие устройства, во много раз более
надежные, чем объекты, которые нужно переключать, тем
более, что резервирование замещением применяется, как
правило, для повышения надежности крупных узлов,
обладающих низкой надежностью.
Второй недостаток этого вида резервирования связан
с тем, что он применим лишь тогда, когда в работе
устройства допускается перерыв. Длительность перерыва
определяется скоростью, с которой коммутирующие
устройства могут производить операции переключения.
Когда такой перерыв недопустим, от резервирования
замещением приходится отказываться, и следует
рассматривать различные варианты постоянного включения
резерва.
Один из таких вариантов связан с голосованием,
результаты которого оцениваются простым
арифметическим большинством. Например, пусть одну и ту же
математическую задачу решают три электронные
вычислительные машины одновременно. Верным результатом
считают тот, который «выдали», по крайней мере, две
машины. Можно также решать задачу на одной машине
три раза подряд, а верным считать тот результат,
который получится трижды или дважды.
61

Наибольшее распространение принцип голосования
по большинству нашел в радиоэлектронных
устройствах. Счет голосов выполняет специальный узел, который
называют мажоритарным элементом. Он включается на
выходе одинаковых объектов и производит выбор
выходных значений сигналов по большинству. Во
избежание неопределенности при выборе правильного сигнала
в мажоритарный элемент делают нечетное количество
входов. Получается система, где отказ одного объекта
не вызывает отказа всего устройства. Если в системе
только три объекта, то для ее отказа необходимо, чтобы
отказ произошел в двух из трех или во всех трех. Этот
же принцип можно распространить на любое нечетное
число логических объектов, включенных параллельно.
Так, могут отказать два из пяти объектов, а система все
еще будет работать. Иными словами, параллельно
включаются (2/1+1) логических объектов, а мажоритарный
элемент принимает решение по сигналам (п+1)
объектов; такая система откажет, лишь если откажет (п+1)
логический объект.
Конструкцию из логических объектов и
мажоритарного элемента называют мажоритарной системой. Ее
важная и обязательная особенность заключается в том,
что все логические объекты должны работать в строго
одинаковых условиях (иначе говоря, это нагруженное
резервирование при постоянном включении резерва).
Вероятность безотказной работы такой системы при
идеально надежном мажоритарном элементе
P(t) = P*(t)[3-2P(t)l
где P(t)—вероятность безотказной работы одного
логического объекта.
Метод голосования по большинству особенно ценен,
когда в логических объектах могут возникать
неисправности, искажающие информацию. Например, очень
жесткие требования предъявляются к качеству передачи
срочных и важных цифровых данных, поступающих от
электронных вычислительных машин.
В этой информации допускается не более одного
ошибочного знака на 10 миллионов переданных, т. е.
вероятность ошибки при передаче должна быть практически
сведена к нулю.
62

Когда же целесообразно использовать
мажоритарные системы? Чтобы с достаточным основанием ответить
на этот вопрос, вводят специальные характеристики.
Одна из них — отношение вероятности безотказной
работы системы к тому же параметру надежности
одиночного логического объекта (конечно, за одно и то же
время работы). Это отношение называют выигрышем по
вероятности безотказной работы и обозначают WP.
Максимальное значение выигрыша имеют системы,
вероятность безотказной работы одиночного логического
объекта которых достигает 0,75. При этом №р=1,13.
Если вероятность безотказной работы логического
объекта меньше 0,5, то WP=\\ использовать принцип
голосования по большинству в данном случае не имеет
смысла. Ну, а когда критерием надежности технического
устройства служит средняя наработка до отказа (Г), от
использования мажоритарной системы приходится
отказываться даже при «идеальной» надежности счетчика
голосов.
Если надежность мажоритарного элемента нельзя
считать идеальной, то в качестве характеристики для
оценки целесообразности использования голосования по
большинству используют выигрыш по вероятности
отказа Wq. Он определяется отношением вероятности отказа
одиночного логического объекта к вероятности отказа
мажоритарной системы. Конечно, при любом
фиксированном значении вероятности отказа логического
объекта Wq тем больше, чем надежней мажоритарный
элемент.
Иногда для того, чтобы добиться наибольшей
величины Wq, конструкцию логических объектов делят на
более мелкие узлы. Это позволяет получить
максимальное значение Wq при достаточно низких показателях
вероятности отказов логического объекта и
мажоритарного элемента. Такое наибольшее значение может быть
достигнуто, если вероятность отказа мажоритарного
элемента равна утроенному квадрату вероятности отказа
логического объекта. Например, максимальное значение Wq
достигается при вероятностях отказа логического
объекта 0,05; 0,1; 0,15 и вероятностях отказа мажоритарного
элемента 0,01; 0,03; 0,067 соответственно. Значения же
выигрыша в данном случае равны (в соответствии с
каждой парой приведенных значений) 2,9; 1,7; 1,2. По-
63

следний ряд цифр количественно характеризует то
очевидное положение, что чем менее надежен
мажоритарный элемент, тем меньше Wq, или, иначе, тем менее
целесообразно использовать мажоритарную систему.
У читателя может возникнуть естественный вопрос:
а нельзя ли добиться повышения надежности самой
мажоритарной системы? Да, можно — используя так
называемый восстанавливающий элемент, который состоит
из трех мажоритарных. На каждый из мажоритарных
элементов теперь поступает сигнал от двух логических
объектов; логический объект имеет два выхода (на
обоих — полностью идентичные сигналы). Каждый
мажоритарный элемент выполняет функцию
альтернативного отрицания, которая называется штрих Шеффера.
Не вдаваясь в подробности практического
осуществления этой функции, отметим, что на выходе
мажоритарного элемента появляется сигнал только в том случае,
если на оба его входа совершенно одновременно
поступят строго одинаковые сигналы двух разных логических
объектов.
При достаточно малой вероятности отказа
мажоритарного элемента (во много раз меньшей единицы)
наибольшее значение Wq можно получить, если
обеспечить одинавдвую надежность логического объекта и
мажоритарного элемента. Для таких показателей
надежности максимальное значение Wq равно обратной
величине вероятности отказа логического объекта (или
мажоритарного элемента), увеличенной в 6 раз.
Восстанавливающие элементы, как и мажоритарные,
можно использовать, если вероятность отказа
логического объекта превышает 0,5. Однако «сфера
деятельности» восстанавливающего элемента во многих случаях
существенно шире, чем мажоритарного. Так, например,
в случае фиксированной вероятности отказа логического
объекта мажоритарный элемент целесообразно
использовать при вероятности его отказа не более 0,1. А у
восстанавливающего элемента эта ограничивающая
характеристика может быть равной и 0,2.
Используя мажоритарный принцип резервирования,
удается создавать устройства, в которых после выхода
из строя любого логического узла остальные узлы берут
на себя его функции. Причем действие этих узлов
оптимизируется таким образом, что устройство полностью
64

выполняет все необходимые операции. Иными .словами,
система самоприспосабливается к возникающим ib ней
отказам — подобно тому, как это происходит в живых
организмах.
В основе всякого самоприспособления лежит
принцип обратной связи. Это свойство характерно для
любого биологического объекта. В частности, именно на
нем основан механизм противодействия биологической
системы различным внешним влияниям. Например, при
повышении или понижении окружающей температуры,
организм так перестраивает свою деятельность, чтобы
отдавать ib окружающую среду больше или меньше
тепла. Характерная особенность приспособления —
сохранение целостности организма. Перестройка его работы
осуществляется так, чтобы не наступило разрушение
системы, смерть, или, выражаясь языком теории
надежности, полный отказ.
Одно из наиболее простых технических устройств,
обладающих свойством обратной связи,— автопилот.
Это автоматическое устройство обеспечивает
нормальный полет самолета по заданному кур.су в самых
сложных условиях, при воздействии большого числа
различных сил. Заранее представить характер управляющих
воздействий, необходимых для сохранения заданного
курса, как правило, не представляется возможным, а
число различных положений, которые могут занимать
рулевые органы в процессе полета, чрезвычайно велико.
Автопилот оценивает величину отклонения самолета от
курса и, «стремясь» к тому, чтобы свести эту величину
к нулю, воздействует соответствующим образом на
органы управления.
В качестве примера системы с высокой надежностью,
достигнутой за счет использования мажоритарных
элементов и принципа обратной связи, рассмотрим
.самоприспосабливающееся устройство адалин. Он
предназначен для автоматического распознавания образов, в
простейшем случае — для распознавания букв. Адалин
располагает несколькими входными линиями с
элементами, обладающими переменным усилением (они
выполняют функции по сравнению сигналов), .суммирующим
элементом и пороговым детектором. У этого устройства
только один двоичный выход; сигнал на нем появляется,
лишь когда общая сумма сигналов на входах превышает
3 3467 65

порог срабатывания. Кроме того, у адалина есть еще
один, специальный дополнительный вход. О его
назначении мы скажем ниже.
Сигналы, поступающие на все входы адалина,
выражаются либо через 1+1, либо через — 1. Каждый сигнал
умножается на некоторый коэффициент усиления,
который может быть как положительным, так и
отрицательным. Срабатывание порогового детектора определяется
установкой коэффициента усиления в цепи, на вход
которой постоянно подается 1+1.
Процесс обучения адалина — при этом все
коэффициенты усиления изменяются — состоит в том, чтобы он
«нашел» и «запомнил» наилучший ряд коэффициентов
усиления, которые позволяют достигнуть минимального
значения ошибки в опознавании образа. После обучения
адалина опознаванию одного образа (например, буквы
Т) соответствующие коэффициенты усиления хранятся
в блоке памяти. Опытным путем было установлено, что
число опознаваемых адалином образов в среднем равно
удвоенному числу коэффициентов усиления. Иначе
говоря, это число служит мерой емкости памяти
устройства.
Емкость памяти системы, предназначенной для
распознавания образов, можно увеличить, если
параллельно соединить несколько адалинов. В этом случае все
входные линии подключаются параллельно ко всем
адалинам, а выходные линии с адалинов — к
мажоритарным элементам. В процессе обучения такой машины
операторы добиваются, чтобы при подаче на ее вход
(тот самый специальный вход, о котором мы уже
упоминали) определенного образа на выходе
мажоритарного элемента появлялся требуемый сигнал, например
+ 1 (а не —1). Если машина построена на пяти
адалинах и на выходе трех из них получена — 1,
результирующий сигнал будет неверным. Поэтому один из трех
адалинов— его выбор осуществляется специальным
устройством— должен самоприспосабливаться. В качестве
самоприспосабливающегося мажоритарного элемента
используют такой же адалин.
Сигнал можно снимать с выхода самого
мажоритарного элемента, осуществляя, таким образом, обратную
связь. В этом случае самоприспособление происходит
в процессе работы машины. Испытания машины показа-
66

ли, что она сохраняет работоспособность и в том случае,
когда в нее встроены дефектные дета|ли. Больше тою,
даже наличие в схеме обрывов или коротких замыканий
не лишает машину работоспособности.
Думается, что раз уж у нас зашла речь о
самоприспособлении, сейчас самое время поговорить о
некоторых других принципах повышения надежности,
подсказанных конструктору природой. Мы расскажем .сейчас
лишь об отдельных примерах, связанных с основной
темой данной главы,— с резервированием.
Внимание ученых привлекает поразительная
надежность, с которой мозг опознает объекты. При
выполнении этой функции, конечно, большая часть работы
ложится на важнейший орган чувств — зрительный
анализатор. Через глаза человек воспринимает до 85% всей
внешней информации. Природа позаботилась о том,
чтобы глаза служили нам безотказно. Рецептором
зрительных ощущений служат специальные чувствительные
клетки сетчатки глаза (всего в глазах человека 130
миллионов таких клеток). Возбуждение, возникающее в них
под действием света, по нервным волокнам передается
к концу зрительного анализатора, который расположен
в затылочной доле мозга. В зрительном, нерве почти
1 миллион волокон. Это означает, что в среднем одно
волокно проводит возбуждение от 130 фоторецепторов.
Другими словами, природа использовала здесь 130-
кратное резервирование!
Принципы обеспечения надежных соединений,
заимствованные у природы, завоевывают все большую
популярность. Разработаны схемы резервирования,
напоминающие соединения нейронов — клеток, из которых
построена центральная нервная система высших
животных и человека. В них для обеспечения такой же
надежности, что и у обычных схем, требуется в 200 раз
меньше компонентов. И пусть даже надежность самих
компонентов будет в 10 раз меньше — на общей
надежности системы это не отразится. Исследования показали,
что экспериментальная модель надежно работала при
отказе 50% компонентов.
Построение нейроноподобных .соединений —
самостоятельная сложная задача. Только обладая
достаточно полными знаниями об устройстве и функциональных
связях нейронов в нервной системе, можно делать вы-
3* 67

воды о целесообразности использования нейроноподоб-
ных элементов для синтеза технических устройств.
Как же «устроен» нейрон, и каким образом из этих
клеток строятся органы центральной нервной системы?
Центром нервной клетки служит ядро, защищенное
тонкой полупроницаемой мембраной. Несмотря на очень
малую толщину (50—100А) мембрана надежно
защищает клетку от повреждений и вредных влияний
окружающей .среды. Кроме того, она регулирует состав
клетки, пропуская в соответствующих направлениях
питательные вещества и продукты выделения.
Импульсы возбуждения подводятся к телу клетки
через дендриты — древовидные отростки, покрытые
шипами. Общее количество шипов на дендритах каждого
нейрона доходит до десятков тысяч. Таким образом,
проблема резервирования решается очень просто,
поскольку функциональное назначение всех дендритов
одинаковое — увеличить поверхность контакта ветвей
дендритов с другими нейронами.
От нейрона к нейрону .сигналы связи проходят по
аксону (длинному отростку) через особое
функциональное соединение — синапс. Возбуждения передаются
синапсами только в одном направлении — от окончания
аксона одного нейрона к дендриту и телу клетки другого
нейрона. Такое свойство синапса чрезвычайно важно
как одна из основ высокой надежности
функционирования системы. Для сравнения в,спомним о сложнейшей
проблеме борьбы с обратной волной в высокочастотных
волноводах. Затраты на уничтожение таких волн (или,
иными словами, на обеспечение надежного
функционирования волноводов) составляют едва ли не основную
часть стоимости этих устройств.
Нервы в организме играют роль линий связи. По ним
идет информация от чувствительных клеток, они же
обеспечивают и передачу «команд» исполнительным
клеткам, осуществляющим соответствующую реакцию
биологической системы на внешние воздействия.
Характерная черта живого организма — его «настойчивость».
Действия организма обусловлены не просто
изменениями окружающей среды .самой по себе, а тем, что в
новых условиях среды нужно так изменить стратегию
поведения, чтобы достигнуть прежней цели, которая заранее
закодирована в мозгу. На языке техники такое поведение
68

организма — нечто иное, как выполнение задачи с
заданной надежностью.
Чтобы разобраться в этом свойстве организма,
необходимо ввести понятие так называемой «преднастрой-
ки», т. е. предвидения результатов будущей
деятельности. Преднастройка связана с прошлым опытом
организма. В связи с этим преднастройка к действиям в
предстоящей ситуации, опирающаяся на вероятностную
структуру прошлого опыта, может пониматься как
вероятностное прогнозирование. Такое прогнозирование
учитывает как частоту возникновения различных
стимулов, так и частоту реакций организма на эти стимулы.
При равной частоте возникновения в прошлом двух
стимулов и двух соответствующих им реакций
преднастройка может быть различной — в зависимости от
величины «выигрыша» (или «проигрыша»), связанного с той
или иной реакцией. Другими словами, если мы хотим
создать техническую .систему, которая выполняет
заданные функции с той же надежностью, что и живой
организм, в нее должна быть заложена возможность оценки
«выгоды», полученной при выполнении каждой
операции. «Поведение» такой технической системы может
рассматриваться как некое подобие гомеостатического
процесса (т. е. процесса приспособления).
Для разомкнутых систем управления, состоящих из
последовательно соединенных элементов, где нет
обратных связей, существует закон: чем больше элементов в
системе, тем выше требования к надежности каждого
из них при одной и той же надежности системы в целом.
На системы с наличием обратной связи—а именно на
этой основе базируется процесс гомеостаза — этот
закон, как уже говорилось, не распространяется.
Увеличение количества элементов системы не обязательно
влечет за собой повышенные требования к надежности
каждого элемента. Такие системы позволят снизить вес
аппаратуры, до.биться чрезвычайно высокой
надежности в,сех устройств.
И все же, принимая и используя уроки природы по
построению надежных систем обратной связи, нельзя
не учитывать одного очень важного момента. Дело в
том, что биологические системы при той или иной
серьезной перестройке своей жизнедеятельности под
влиянием внешних условий имеют, как правило, достаточно
69

времени для этого. А вот у технических систем такого
периода приспособления в запасе зачастую нет —
надежность должна быть высокой постоянно, без
перерывов. Управляющей системе космического корабля,
например, мы не можем позволить отключиться даже на
самое короткое время. Процесс перенастройки,
переобучения, должен протекать в ней практически мгновенно.
В таком переобучении при отказе большую роль
играет механизм действия формального нейрона. Чтобы
разобраться в этом механизме, !вернем,ся к
функционированию живого прототипа. Если на синапсы одного и
того же нейрона одновременно действуют несколько
сигналов возбуждения, каждый из которых имеет величину
ниже порогового уровня, то все они могут
суммироваться и в результате возбудить нейрон. Однако возможен
и такой способ возбуждения нейрона, при котором
сигналы, каждый из которых ниже порогового уровня,
следуют друг за другом через достаточно короткие
промежутки времени. Первый способ называют
пространственным суммированием, второй — .суммированием во
времени. Следует отметить также, что на синапс
одновременно могут поступать возбуждающий и
затормаживающий импульсы. Необходимое условие возбуждения
нейрона в этом случае таково: алгебраическая сумма
(т. е. сумма с учетом знака возбуждения) синаптических
сигналов должна превышать порог возбуждения
нейрона. Только когда сумма сигналов возбуждения больше
суммы сигналов торможения на величину, равную
порогу срабатывания (или превышающую его), нейрон
возбуждается и выдает .сигнал на выходе.
Наибольшая частота выходных импульсов нейрона
(максимальный ритм нервных импульсов в одиночном
волокне) — от 100 до 1000 гц, в зависимости от типа
нервной клетки. Нервное возбуждение непременно
сопровождается появлением электрического тока.
Электрические же явления в нервных волокнах ученые
научились сравнительно хорошо регистрировать. Им удалось
«подсмотреть» на экране осциллографа практически все
электрические процессы, которые происходят в живых
нервных клетках. Все это заставляет искать пути
создания надежных технических аналогов нейрона на основе
и уже существующих, известных, и только
предсказываемых, потенциальных возможностей радиотехники. С точ-
70

ки зрения этой науки аксон — электрическое устройство,
принцип действия которого тот же, что и у
коаксиального кабеля. Любую нервную сеть можно характеризовать
совокупностью основных параметров одиночного нейро-
импульса. Причем у этого импульса амплитуда,
длительность, крутизна фронта, постоянные для каждой нервной
сети, не зависят от процессов обработки информации.
Так появилась мысль рассматривать нервную систему
живого организма как вычислительную машину,
состоящую из элементов, действие каждого из которых
основано на принципе «да — нет». А вместе с ней возникла и
идея создания так называемых формальных нейронов —
технических аналогов обычных, биологических нейронов,
действующих на основе той же логики, что и их живые
прототипы. Формализм аналога связан прежде всего с
тем, что при его создании никак не учитываются
физиологические особенности нейрона. Так, например, порог
срабатывания формального нейрона не зависит от мест
распределения синапсов и количества сигналов
возбуждения. В формальных нейронах ученые прежде всего
стремятся реализовать те свойства прототипа, которые
позволяют строить надежные технические системы на
основе этих элементарных ячеек. Вот некоторые из таких
свойств:
а) в схеме предусматривается достаточно большое
количество (п) входов, на которые одновременно или в
разные моменты времени могут поступать сигналы (х\,
б) в схеме имеются специальные точки, синоптические
контакты, через которые с входов поступает сигнал;
степень влияния каждого входа на состояние нейрона
характеризуют величиной, которую называют весом входа
или синаптическим числом (ои, <Х2,..., а*,..., ап);
в) поступающий сигнал задерживается на некоторое
определенное время в синоптических контактах;
г) в любой момент времени количественная
характеристика воздействия определенного 1-го входа на
нейрон — это произведение а\Хи
д) -поступающие сигналы могут суммироваться как
пространственно, так и во времени;
е) аналог срабатывает только тогда, когда суммар-
71

ный входной сигнал превысит определенное пороговое
значение.
Один из формальных нейронов — нейристор — создал
X. Д. Крейн. В нем ученому удалось реализовать три
важные свойства природного нейрона: незатухающее
распространение сигнала, однородную скорость
распространения сигнала и период восстановления устройства.
Нейристор построен в виде замкнутой линии, и
возбужденный импульс циркулирует в нем достаточно долго.
Это свойство используют для надежного запоминания
переменной двоичной величины; циркуляция импульса
эквивалентна единице, а его отсутствие—нулю.
Соединенные определенным образом нейристоры отличаются
высокой однородностью структуры: в ней предметно не
различаются собственно устройство и соединительные
'провода. Есть у нейристора и другие полезные особенности.
(Описание нейристора читатель может найти, в
частности, в брошюре Л. Г. Григорьева «Моделирование и
технические науки», выпущенной издательством «Знание» в
1967 г.). Помимо нейристора разработаны и другие
эквиваленты нейрона — нейромимы, артроны и т. д. На
основе формальных нейронов строят сейчас различные
системы типа MJND (Magnetic Jntegrator Neuron Duplicator),
выполняющие логические функции при распознавании
образов.
К сожалению, использование резервирования и ней-
роноподобных соединений часто ограничивается весом,
габаритами деталей и требуемой мощностью источников
питания. В радиоэлектронике преодоление этих
трудностей пошло по пути создания микроминиатюрных
деталей. (Кстати, и в этой области уроки природы могут
быть очень полезными. Так, прекрасным образцом
миниатюризации в природе может служить мозг человека.
В нем содержится примерно 17 миллиардов нейронов,
которые занимают объем около 1,5 кубических
дециметров и потребляют 10 ватт мощности. Если бы мы
захотели построить на полупроводниковых триодах
радиотехническое устройство, моделирующее работу мозга, оно
заняло бы объем 10 тысяч кубических метров и
потребляло мощность в 1 миллион киловатт!)
Надежность аппаратуры, построенной на
микроминиатюрных деталях, повышается не только за счет более
широких возможностей резервирования, но и за счет то-
72

го, что сами эти детали надежнее своих более «рослых»
предков. Почему — понять нетрудно. Дело в том, что
миниатюризация помимо уменьшения размеров и веса
радиоаппаратуры ставит своей целью также
автоматизацию и механизацию всего процесса ее производства.
Микроминиатюризация основывается на использовании
новых конструктивных форм и технологических приемов
изготовления аппаратуры, которые позволяют наиболее
рационально заполнить ее объем и максимально
автоматизировать производство деталей и узлов. Вся
аппаратура собирается из микроблоков, или микромодулей.
Последние монтируются из специальных деталей единой
конструктивной формы — микроэлементов.
Основой, «фундаментом» каждого микроэлемента
служит плоская керамическая пластинка, своим внешним
видом напоминающая галету (но только, конечно,
очень-очень маленькую): размер ее стороны — 8
миллиметров, а толщина — четверть миллиметра). На
каждой «галете» расположена одна или несколько деталей,
изготовленных методом напыления. Пары материалов
(для их испарения применяют электронные пушки, а в
последние годы и оптические квантовые генераторы —
лазеры) осаждаются на керамической пластинке столь^
тонким слоем, что микроэлементы практически не
имеют объема, недаром их называют двухмерными. Затем
пластинки с микроэлементами собирают в стопку и
соединяют проводниками в соответствии со схемой. Каждая
такая стопка образует микромодуль.
Использование микромодулей позволяет создавать
радиоэлектронную аппаратуру, размеры и вес которой по
крайней мере в 3—5 раз меньше, чем у самых
миниатюрных конструкций, собранных из обычных деталей и
полупроводниковых приборов. Все операции сборки
микроэлементов и их соединения в микромодуль очень просты
и требуют значительно меньше времени, чем процесс
сборки схем из обычных деталей; при этом и
производительность труда увеличивается в несколько раз.
Но и на этом направление технического прогресса,
связанное с микроминиатюризацией, не остановилось.
В последнее время разработан новый прогрессивный
метод, который позволяет наносить на одну «галету» целые
схемы. В этом случае путем испарения друг на друга
последовательно наносятся сначала пленки, обладающие
73

обычным сопротивлением, затем диэлектрические
пленки и, наконец, хорошо проводящие металлические пленки
(обычно из золота) — они выполняют роль проводников.
После этого устанавливаются полупроводниковые
триоды, и вся плата покрывается защитным лаком. Для
превращения пластинки в схему требуется всего от 15 до 20
технологических операций. При таком небольшом
количестве операций можно применять пооперационный
контроль качества, что сказывается существенным
повышением надежности аппаратуры.
Преимущества микроминиатюрной аппаратуры легко
заметить из следующего сравнения. Аппаратура,
построенная на современных радиолампах и обычных деталях,
имеет, скажем, объем более тысячи кубических
дециметров и весит 540 кг. Объем аппаратуры того же
назначения, но построенной на полупроводниковых приборах,
равен 70 кубическим дециметрам, а-весит она всего
36 кг. Наконец, аналогичная аппаратура, собранная из
микромодулей, занимает объем всего 2 кубических
дециметра и весит менее 1,5 кг.
Еще одной качественно новой ступенью
микроминиатюризации явилась микроэлектроника. Центральная
проблема микроэлектроники — создание максимально
надежных элементов и схем, разработка надежных и
дешевых методов их соединений путем особых
технологических процессов. А одно из наиболее перспективных
направлений микроэлектроники связано с построением
полупроводниковых интегральных схем. Основную роль в
микроэлектронных элементах и схемах играют границы
раздела материалов с различными электрофизическими,
химическими, механическими и другими свойствами.
Следовательно, проблема надежности микроэлектронных
схем сводится к проблеме обеспечения стабильности во
времени всех этих границ раздела и, в частности,
границы с окружающей средой, т. е. поверхности.
Так же, как вся микроэлектроника, техника
интегральных схем решает главную задачу (создание
наиболее надежных устройств) путем максимального
исключения ненадежных элементов и соединений, снижением
рабочих мощностей и облегчением режимов работы,
использованием новых схем, а также путем построения
элементов и устройств, работающих на новых физических
принципах.
74

В зависимости от метода изготовления различают
несколько типов интегральных схем.
В монолитной интегральной схеме все ее компоненты
«размещают» внутри или на наружной поверхности
миниатюрных блоков кремния (эти блоки называют
просто— пластинками). Соединения между компонентами в
пределах одной пластинки осуществляют
металлизированными проводниками, которые специальным методом
наносят на поверхность пластинки. При этом
индивидуальные компоненты неотделимы от схемы в целом,
поскольку все они формируются в одном блоке кремния.
В такой интегральной схеме все элементы изготовляют
примерно за столько же технологических операций,
сколько требуется для изготовления одного транзистора.
Тонкопленочная интегральная схема в своей основе
состоит из микроскопически тонких пленок, осажденных
специальным методом на керамическую подложку. Так
формируются пассивные компоненты схемы. Соединения
между ними осуществляют металлизированными
проводниками. Активные компоненты (транзисторы, диоды) в
виде дискретных элементов подключают к пассивным
(тонкопленочным) навесным монтажом.
В совместимой интегральной схеме активные элементы
формируются в кремниевой пластинке, а пассивные
методом тонкопленочной технологии наносятся на наружную
сторону слоя двуокиси кремния, покрывающего
активный элемент. Совместимые интегральные схемы —
дальнейшее развитие монолитных схем. Они сочетают
особенности монолитной схемы с той свободой выбора
конструктивных решений, которая обеспечивается
тонкопленочными пассивными компонентами. Но по сравнению с
монолитными интегральными схемами совместимые
интегральные требуют больше дополнительных
технологических операций. Поэтому их производство дороже.
Гибридные интегральные схемы, подобно их
аналогам, построенным на обычных компонентах, состоят из
отдельных деталей, но особой конструкции.
Транзисторные и диодные кремниевые пластинки вместе с
резисторами и деталями монтируются на общем держателе
пайкой, а соединения между компонентами схемы
осуществляют при помощи перемычек из калиброванной
проволочки часто диаметром до 0,025 мм.
Высокая надежность интегральных схем обеспечива-
75

ется за счет ряда их особенностей. Технологический
процесс состоит из сравнительно небольшого числа
операций. Поэтому весь процесс изготовления несложно
автоматизировать и подвергнуть точному контролю.
Использование единого кристаллического моноблока сокращает
на 70—80% количество внутриблочных паяных
соединений. Все элементы схемы заключены в герметичный
корпус. Поэтому влияние внешних воздействий резко
снижено.
Интенсивность отказов интегральной схемы,
состоящей из 15—30 элементов, значительно меньше, чем у
аналогичной схемы, созданной на самых надежных
транзисторах. Можно предполагать, что даже без
резервирования аппаратура на интегральных схемах будет
обладать в 50 раз большей средней наработкой на отказ, чем
аналогичная аппаратура на транзисторах. По
опубликованным данным, интенсивность отказов интегральной
схемы — 1 • 10~8 в час.
Микроминиатюризация встречается с существенными
ограничениями в тех случаях, когда в техническом
устройстве есть органы управления. Эти элементы
находятся в непосредственном контакте с органами чувств
человека и должны отвечать определенным требованиям.
Нельзя сильно уменьшать размеры переключателей и
ручек управления, так как ими будет неудобно
пользоваться. Нельзя произвольно уменьшать размеры
электроннолучевых телевизионных трубок и индикаторов
радиолокационных станций, так как это ограничит возможность
наблюдения. Нельзя значительно уменьшать и шкалы
настройки, так как это снизит удобство отсчета. Когда
речь идет об удобствах работы человека, о
производительности его труда, сохранении здоровья и т. д., первое
слово принадлежит одной из новых наук — эргономике.
Но и эти противоречия преодолимы. Так, применяя шка-
йы настройки с цифровым отсчетом, удалось
существенно их уменьшить. В современной аппаратуре есть шкалы
с цифровым отсчетом, которые соответствовали бы
обычной шкале длиной 1500 метров! Не за горами тот день,
когда будут преодолены и другие преграды развитию
микроминиатюризации — замечательного средства
борьбы за высокую надежность.

РЕШЕНИЕ ПОДСКАЗЫВАЕТ ПРИРОДА
Высочайшая надежность нашего мозга. Что такое
бионика? Природа тоже могла бы многому научиться у
человека
... В музее при Гарвардском университете в США
неизменным вниманием посетителей пользуются
человеческий череп со следами серьезной прижизненной травмы
и металлический прут длиной свыше метра и диаметром
3 сантиметра. В 1848 году железнодорожный рабочий
77

Финеас Гейдж попал в катастрофу. Металлический
стержень, который теперь хранится в музее, пробил
левую щеку Гейджа, пронзил мозг и вышел около темени.
Гейджа вылечили, и он прожил после ранения 12 лет.
В течение этого времени у него не наблюдалось ни
потери памяти, ни каких-либо других серьезных нарушений
психики, и он даже был в силах заниматься своим
обычным делом. Когда же после смерти Гейджа его мозг
исследовали, оказалось, что в результате травмы были
сильно повреждены левая и правая лобные доли.
Приведенный пример при всей его парадоксальности
далеко не самое убедительное свидетельство надежности
мозга. Структурным элементом мозга, как известно,
является нейрон. За каждый час жизни мозг теряет
'примерно тысячу нейронов. Причем теряет безвозвратно, так
как, по мнению большинства специалистов, нейроны в
отличие от прочих видов клеток не размножаются
делением и не восстанавливаются. Кроме того, необходимо
подчеркнуть, 'что указанная цифра потерь характерна лишь
для благоприятных условий. В реальной же жизни на
мозг влияет огромное количество различных вредных
факторов: механические, лучевые и термические
воздействия, травмы, последствия инфекционных заболеваний,
необратимые явления, связанные с особенно сильным
переутомлением и нервным напряжением, разрушающее
действие никотина, алкоголя и т. д. И все же несмотря
на такие потери мозг в течение десятков лет успешно
«руководит» жизнедеятельностью организма.
Многие сотни миллионов лет эволюции привели к
тому, что природа создала совершенные живые системы,
для которых характерны высокие экономичность,
производительность, устойчивость и надежность. Биология,
одна из самых древних наук, накопила обширнейшие
сведения о живой природе. А нельзя ли эти знания
использовать при решении инженерных задач? — спросили
себя ученые. Так родилась бионика.
Эта молодая наука не отметила еще и своего
20-летия. Ее история начинается в 50-х годах. Тогда научно-
исследовательский отдел Военно-морского министерства
США начал исследования живых организмов в поисках
новых принципов, которые могут быть использованы для
усовершенствования механических и электронных
систем, применяющихся на военных судах. Термин же «био-
78

ника» получил официальное признание только в 1960 г.,
на первом конгрессе специалистов данной области.
Однако у бионики есть и достаточно богатая
предыстория.
Прежде, когда научные дисциплины не были столь
дифференцированы, как теперь, проводились важные
исследования, которые можно вполне назвать
бионическими. Достаточно вспомнить, например, как исследовали
птиц и их полет Леонардо да Винчи и «отец русской
авиации» Н. Е. Жуковский. Широко известно также имя
итальянского физиолога Л. Гальвани, который,
занимаясь изучением электричества, открыл .природный
«индикатор» электрического напряжения — лягушечью латку.
Важный для техники закон движения жидкости в тонких
трубках был установлен французским физиологом,
физиком и доктором медицины Ж. Пуазейлем. Он открыл его
в результате изучения кровеносных сосудов. Среди
исследований, подготовивших возникновение бионики как
науки, совершенно необходимо упомянуть научные
работы, проведенные в 30-х, 40-х и начале 50-х годов
советскими учеными Б. К. Штегманом, Г. С. Шестаковой,
Н. А. Гладковым, К. А. Юдиным. Эти работы были
связаны с попыткой создания летательного аппарата с
машущими крыльями (орнитоптера), который, как
показывают теоретические расчеты, может оказаться во много
раз экономичнее обычного самолета.
Исследование явлений природы с бионических
позиций уже немало дало и еще больше даст техническим
наукам. Один из основоположников бионики У. С. Мак-
Каллок отметил, что за исключением источников
энергии и колеса все, созданное человеком, имеет характер
подражания тому, что уже «сконструировала» природа.
Правда, если взглянуть на проблему с несколько иной
точки зрения, то окажется, что и идея колеса в какой-то
степени подсказана человеку природой. Вот что по этому
поводу писал известный французский поэт Г. Аполлинер:
«Когда человеку понадобилось имитировать ходьбу, он
создал колесо, совершенно не похожее на ногу».
Но и в тех случаях, когда налицо полное сходство
природного объекта и технического изделия, речь далеко
не всегда может идти о сознательном подражении.
Действительно, человек использовал рычаг много раньше,
чем понял, как работают «рычаги» в биообъектах. Пер-
79

вый насос заработал задолго до того, как было изучено
сердце. Принцип обратной связи нашел практическое
применение в первых простых автоматах, когда люди
еще ничего не знали о воплощении этого принципа в
живых организмах. А древний создатель первого судна с
парусом вряд ли подозревал о существовании некоторых
видов кишечнополостных, которые используют для
передвижения силу ветра, улавливая его особым выростом
тела, выступающим высоко над водой. Однако
сознательно или бессознательно, но человек действительно
находил решения, к которым уже пришла природа. На
современном же этапе бионика помогла осмыслить все эти
факты.
Главное содержание термина бионика и цель новой
науки можно, пожалуй, определить короткой формулой:
«Живые прототипы — ключ к новой технике». В бионике
выделяют три основных раздела. Это, во-первых,
биологическая бионика, изучающая с определенных позиций
закономерности жизнедеятельности биологических
систем. Второй раздел — теоретическая бионика; эта
научная дисциплина занята математическим описанием
данных, полученных биологической бионикой. Наконец,
третье направление — техническая бионика, решающая на
основе математических моделей биопроцессов
конкретные инженерные проблемы.
Следует отметить, что наиболее ценный вклад
бионики в технику заключается отнюдь не в решении частных
вопросов. Как справедливо указал специалист по
бионике доктор технических наук И. Б. Гутчин, главный дар
бионики технике — революционное воздействие
«...целого ряда новых понятий и оригинальных точек зрения на
принципы проектирования, появление которых связано с
анализом, формализацией и синтезом «решений»
природы». Из таких «решений» особый интерес для
конструкторов нашего времени представляют, в частности, те,
которые могут быть использованы для повышения
надежности технических систем.
В зависимости от того, какие свойства биологических
систем изучаются с целью технического использования,
можно выделить три основных аспекта бионики:
информационный, энергетический и вещественный. Первый
аспект, на котором мы прежде всего остановимся —
пожалуй, самый важный. Развитие этого направления связа-
80

но с решением таких задач, как передача, прием и
переработка информации, а также использование полученной
и переработанной информации для управления
протекающими в данной системе 'процессами.
Для начала разберемся в проблеме приема
информации. В технике данную функцию выполняет
разнообразный комплекс средств измерения и контроля. Созданные
к настоящему времени для этой цели технические
средства весьма совершенны. По чувствительности и по
быстродействию они часто превосходят соответствующие им
биологические системы. Но по целому ряду других
показателей совершенно очевидно превосходство последних.
Прежде всего, биосистемы приема информации
значительно меньше технических средств контроля и
измерения. Кроме того, они потребляют значительно меньше
мощности и имеют пока, что для нас особенно важно,
более высокие показатели уровня надежности.
Но и по вопросам чувствительности бионика может
дать технике очень много полезных советов.
Так, на основе технической интерпретации некоторых
особенностей устройства глаз насекомых были созданы
применяемые в авиации поляризационный солнечный
компас и измеритель земной скорости. Очень интересен геро-
трон, аналогичный по принципу своей работы одному из
органов насекомого. Этот прибор действует на основе
стремления вибрирующего тела сохранять при наклоне
места его крепления постоянную ориентировку
плоскости колебаний. Он очень чутко реагирует на малейшее
отклонение от заданного направления движения.
Подобных примеров можно было бы привести немало, хотя в
данном разделе бионики пока получено не так много
положительных результатов, как в других.
Полезные для техники разработки связаны с
бионическим моделированием чувствительных органов,
работающих по принципу эхолокации. Первый толчок мыслям
ученых и инженеров в этом направлении дали летучие
мыши. Людей издавна интересовало, как столь
подслеповатые животные находят в темноте добычу, что
помогает им ориентироваться в полете. Наблюдателей
поражало то, как летучие мыши мечутся, резко меняют
направление полета, то взмывают вверх, то «пикируют» к
самой земле. И никогда не задевают за препятствия.
81

Летучая мышь, как оказалось, издает ртом поисковый
ультразвуковой «крик» — более 200 импульсов в
секунду в те моменты, когда на ее пути препятствие или
добыча, и 8—10 серий импульсов в секунду при свободном
полете. Издаваемый некоторыми разновидностями
летучих мышей писк в 5 раз превышает порог слышимости
человеческого слухового органа: ультразвуковые
колебания достигают частоты 90 тысяч в секунду. Но эта
частота не постоянна, она меняется в зависимости от
условий. «Ощупывая» ультразвуковым локатором добычу,
летучая мышь не только улавливает 200 и более
отраженных импульсов в секунду, но и продолжает
одновременно издавать столько же новых «криков». Совершенство
локационной системы летучих мышей как нельзя лучше
характеризует такой факт: некоторые из них
безошибочно обнаруживают проволоку сечением 0,175 мм.
Без эхолокации не обходятся в своей
жизнедеятельности и некоторые обитатели моря. Это и не
удивительно, ведь, как известно, в морской воде звук
распространяется 'примерно в 5 раз быстрее, чем в воздухе. Среди
таких существ большой интерес для бионики
представляет, например, дельфин афалина. Эхолокационные звуки
издаются дельфином, по мнению многих специалистов, с
помощью системы воздушных мешков и клапанов,
расположенных вдоль воздухоносного пути от дыхала к
легким. В передней части головы дельфина есть так
называемая «дыня» — выпуклый жировой нарост, который
фокусирует пучок эхолокационных импульсов. Отраженные
сигналы улавливаются, по всей видимости, челюстями
дельфина и по ним же направляются к органу слуха.
Звуки, испускаемые локационной системой
дельфинов, зарегистрированы учеными. Из всего диапазона
звуков, которые дельфины способны издавать, локацию они
осуществляют, по последним данным, с помощью
высоких ультразвуков—140—200 кгц; верхний предел
издаваемых дельфином звуков 300 кгц. Благодаря эхолокации
дельфин легко находит добычу ночью и в мутной воде.
Эта же эхолокационная система позволяет дельфину
безошибочно ориентироваться в самых сложных подводных
лабиринтах.
Среди обитателей моря не только дельфины
«снабжены» органами для эхолокации, заменяющей зрение или
дополняющей его. В частности известно, что она помога-
82

ет находить добычу кашалотам, которые ныряют на
огромные глубины, где царит вечная и абсолютная
темнота. Обнаружена эхолокация и у тюленей. Специалисты
полагают, что в ближайшее время она будет открыта и
у других млекопитающих, обитающих в воде.
Созданные к настоящему времени технические
системы гидро- и радиолокаторов по своей чувствительности
и совершенству не могут соперничать с природными
эхолокаторами ряда живых существ. Так что перед
бионикой в данной области стоят весьма важные задачи.
Например, еще много неясного в методах временной (по
частоте, длительности, форме импульса) и
пространственной селекции сигналов биосистемами. Известно, в
частности, что дельфины, поворачивая голову и,
возможно, изменяя с помощью «дыни» фокусировку пучка эхо-
ло'кационных импульсов, могут достаточно точно
определять направление и расстояние до препятствия или
цели. Известно и то, что лишь часть сигналов,
принимаемых органами чувств, направляется к мозгу. Так у
бабочек и других насекомых, на которых охотятся летучие
мыши, орган слуха мгновенно выделяет из всех других
звуков поисковый «крик» летучей мыши и передает его к
нервным центрам как сигнал опасности. Однако этих
сведений конечно еще недостаточно для бионического
моделирования.
И все же изучение с бионических позиций
механизмов селекции сигналов органами чувств живых
организмов уже привело к ряду обнадеживающих результатов.
Так, на основе полученных бионикой данных созданы
устройства для автоматического опознавания сигналов.
Одни из них предполагается использовать для ввода
данных в вычислительные машины. Другие вошли в
схему машин, воспринимающих речь и печатающих под
диктовку. Это весьма сложный аналог органа слуха,
определенной части мозга и части нервно-мышечного
аппарата человека.
Перспективны также исследования, связанные с
проблемой переработки информации. Насущная
необходимость их вызвана прежде всего тем, что методы
переработки информации в современных
электронно-вычислительных устройствах не отвечают задачам времени.
В одних случаях они вообще не могут дать
необходимого решения, в других — не позволяют получить его в тре-
83

буемый срок. Это связано с тем, что характерный для
машины способ решения задачи методом перебора всех
принципиально возможных вариантов для многих
случаев неприменим: слишком уж много этих вариантов,
слишком много времени даже 'быстродействующим ЭВМ
требуется для их перебора.
Одним словом, технический -прогресс настоятельно
требует искать иные пути. Из новых путей такого рода
значительный интерес представляет, в частности, так
называемое эвристическое программирование. Оно может
развиваться и чисто математическим путем. В то же
время, по мнению многих специалистов, привлекательны
и те формы реализации данного метода, которые может
подсказать природа. Существует весьма обоснованное
научное предположение, согласно которому
биологические системы перерабатывают информацию на основе
методов именно эвристического программирования. В
упрощенном виде это можно представить себе так: решение
задачи разбивается на этапы, и на каждом из цих после
оценки ситуации маловероятные пути решения
отбрасываются. Так что кибернетика и автоматика ожидают от
бионики весьма существенной помощи.
В частности, сегодня никак не обойтись без бионики
такому важному и перспективному направлению, как
«роботехника», или «роботостроение». Не будем
останавливаться здесь на определении сложного
технического и философского термина «робот». Напомним только,
что робот должен имитировать некоторые действия
человека. А из этого положения следует, что плодотворное
развитие роботехники невозможно -без глубоких
бионических исследований человеческого организма и
организмов высших животных.
...Железный Майк работает на металлургическом
заводе, его смена — 17 часов. Однако, если его не
остановить, он после столь продолжительного рабочего дня все
так же неутомимо проработает и всю ночь, разгружая
литейную машину и аккуратно укладывая отливки на
конвейер. Несколько роботов — «братьев» Железного
Майка, созданные американскими специалистами,
трудятся на автомобильном заводе. Здесь на них возложено
выполнение более сложной операции — точечной сварки
автомобильных кузовов. Примечательно, что для
переналадки специального сварочного оборудования при пере-
84

ходе на изготовление новой модели, по данным
специалистов, требуется до 8 тысяч человеко-часов. А робота-
сварщика можно перенастроить всего за несколько
часов.
Промышленные роботы последних моделей способны
воспроизводить лишь самые несложные действия
человека. Однако результаты исследовательских и
экспериментальных работ позволяют надеяться, что уже в
ближайшие годы их удастся оснастить «телеглазами», которые
будут посылать сигналы в память робота (в ней
концентрируются данные как программы, так и прошлого
опыта). Это сделает робота куда более самостоятельным. Но
для того чтобы научить роботов «видеть», необходимо
создать кибернетические устройства, надежно
различающие образы. Решение данной задачи также тесно
связано с перспективами развития информационного раздела
бионики.
Одним словом, нет сомнения, что информационный
раздел бионики может и должен дать техническому
прогрессу чрезвычайно много. Так, бионические
исследования систем 'приема и первичной обработки информации
будут способствовать созданию надежных, очень
чувствительных малогабаритных и экономичных
реагирующих элементов, способных воспринимать изменения
механических, электрических, оптических, химических и
прочих параметров, а также разработке совершенных
элементов селекции внешних сигналов. Бионические
исследования в области хранения, сравнения, оценки и
преобразования информации (все это входит в понятие
«переработка информации) будут способствовать, в
частности, созданию новых надежных и экономичных структур
автоматического управления; изысканию новых
принципов (физических, физикохимических) построения
надежных, экономичных, малогабаритных исполнительных
органов и, более широко, изысканию новых способов
управления процессами, прежде всего энергетическими и
химическими.
Наряду с информационным аспектом бионики, как
уже говорилось, большое значение специалисты придают
и иным ее направлениям. Например, многие
технологические процессы в химической промышленности также
могут быть построены по принципам биохимических
процессов, протекающих в живых организмах.
85

Не может, например, не поражать, насколько
надежнее, проще, экономичнее, чем промышленные
предприятия, «производят» уксусную кислоту биологические
системы.
Немало полезного может подсказать инженерам
изучение 'биомеханики живых организмов. В этой области
уже есть первые успехи. Так, механика передвижения
пингвинов по снегу легла в основу разработанного
советским конструктором А. Ф. Николаевым нового типа
вездехода, предназначенного для работы в Арктике и
Антарктике. Создатели последних моделей корабельных
двигателей используют данные бионики о строении
хвостов различных 'пород рыб и китов, известны попытки
создания «прыгающих» машин, основанные на данных о
движениях австралийских кенгуру. Исследования
членистоногих насекомых дали толчок интересным
инженерным решениям по созданию систем так называемых
гидравлических «ног». Кораблестроители в 'последние годы в
своей работе учитывают результаты новейших
исследований формы тела китовых и рыб, особенно хищных,
способных развивать большие скорости.
Внимание бионики привлекают *и обитатели
воздушной среды, птицы. Приспособления для полета у птиц
разительно непохожи на те, что 'применяются в
современном самолетостроении. Это и понятно: здесь
оказываются различия и в абсолютных размерах птиц и самолетов,
и в скоростях полета. Однако означает ли это, что
особенности строения 'птиц не могут быть использованы в
качестве образца или в качестве «толчка идеи» при
проектировании летательных аппаратов? Ответить на этот
вопрос можно только отрицательно. Вот почему
морфология птиц, изучаемая всегда в связи с особенностями
их полета, пользуется в последнее время таким
вниманием со стороны -бионики. А интересного здесь
действительно много. Это и бородки на наружном слое перьевого
покрова — они наивыгоднейшим образом направляют
потоки встречного воздуха и за счет увеличения разницы в
скорости потока над и под крылом увеличивают
подъемную силу крыльев. Это и расположение перьев на
грудке птицы в несколько слоев; ученые предполагают, что
такое многослойное, но проницаемое для воздуха
оперение способствует отсосу с поверхности части воздуха и
предотвращает тем самым возникновение турбулентного
86

воздушного потока. Это и морфологические особенности
оперения некоторых птиц (например, сов), связанные с
бесшумностью 'полета...
Все больше в последнее время результатами
бионических исследований интересуются конструкторы,
занятые созданием военных машин. Например, интересные
проекты, основанные на данных бионики, предложили
американские конструкторы танков. Взяв за образец
двустворчатую раковину, они разработали оригинальную
конструкцию танковой башни, которая, благодаря
обтекаемой форме, должна характеризоваться высокой
неуязвимостью.
Помимо внешних обводов башни конструкторы
«позаимствовали» у природы и другие идеи. В частности
элементы оборудования и вооружения (они расположены
между двумя креслами членов экипажа) компонуются
по аналогии со строением органов пищеварения
моллюска. Это (позволило конструкторам добиться высокой
плотности компоновки. Система вооружения должна
функционировать примерно так. Подобно тому, как шупальцы
моллюсков захватывают и 'подносят пищу ко рту,
магазинная коробка втягивает боеприпасы в башню. Отсюда
они по загрузочному лотку, который напоминает
пищевод моллюска, переносятся в казенную часть пушки (ее
аналог — желудок моллюска). Окружающая казенную
часть камера — она предназначена для сбора и отвода
пороховых газов, которые образуются при выстреле, —
напоминает пищеварительную железу желудка все того
же обитателя моря.
Кресла для членов экипажа (их конструкция
позволяет людям находиться в полулежачем положении)
расположены под откидывающимися как створки раковины
крышками. Это способствует решению важнейшей
задачи современного танкостроения — сокращению высоты
бронированных боевых машин.
Бионика содействует и повышению проходимости
танков, с чем тесно связана надежность действия этих
боевых машин. Познакомимся с одним из зарубежных
проектов ходовой части легкого танка, «подсказанным»
конструкторам природой. В нем нашел техническое
воплощение принцип движения всем хорошо известной
огородной гусеницы. Шасси этого танка состоит из двух
автономных пар катков большого диаметра; каждый из них
87

снабжен самостоятельной топливной установкой и
силовой системой. Катки располагаются попарно на концах
двух мощных балок, шарнирно прикрепленных к
корпусу. Такой движитель может работать в двух режимах.
При первом режиме катки выполняют ту же функцию,
что и .колеса. Благодаря их большому диаметру и
обширной поверхности, танк легко преодолевает любые
препятствия. Второй режим работы движителя основан на
имитации движений гусеницы. Водитель танка ставит
передние катки на тормоз, а задние приводит во вращение.
Балки складываются, задние катки подтягиваются к
передним. Затем наступает очередь передних катков, а
задние оси затормаживаются. Балки распрямляются, и
танк движется вперед. Эта сконструированная по
аналогии с живым объектом система обладает, как показали
расчеты, высоким уровнем надежности.
Изучение гусениц помогло найти интересное решение
и создателям мирной техники. За рубежом
конструкторы вездеходов пришли к выводу, что наиболее высокой
проходимостью 'по мягкому грунту должны обладать
машины с узким и длинным корпусом. Бионические
исследования гусениц способствовали созданию любопытной
модели «ползающей» машины. Ее корпус — он же
выполняет функции движителя — состоит из алюминиевых
колец с прямой нижней частью. Двигатель через
кривошипный механизм придает кольцам сложное
возвратно-поступательное движение, перемещая их вверх—вниз и
одновременно меняя плоскость наклона. В результате
верхние части колец то сходятся, то расходятся,
создавая так называемый эффект «бегущей волны». Система
движется вперед. Надежность работы машины
увеличена наличием гусеничной ленты, огибающей движитель и
крепящейся к кольцам. Но в отличие от привычных
систем гусеничных машин (тракторов, танков, вездеходов)
у описываемой модели гусеничная лента не совершает
поступательного движения относительно неподвижной
части корпуса. Необходимо отметить также, что
машина-гусеница обладает еще одним ценным показателем
надежности в работе: опрокинувшись, она будет
самостоятельно возвращаться в рабочее положение.
А вот еще одно очень перспективное научное
направление, сложившееся в последнее время, в котором
техника сотрудничает с биологией. Речь идет о биоархитекту-
88

ре. «До недавнего времени, — пишет заведующий
кафедрой жилых зданий Московского архитектурного
института профессор М. С. Туполев, — пытаясь копировать
природу, строитель видел лишь внешние ее формы. И
мало кто задумывался, что природа не только красиво
«построена», но и идеально «рассчитана»... Научные
исследования позволили прийти к любопытнейшим
выводам. Так, оказалось, что конструкция, разработанная
инженером Эйфелем для всемирно известной башни в
Париже, почти точно соответствует «конструкции», по
которой природа «вылепила» берцовую кость человека, одну
из самых прочных и надежных в человеческом организме!
Случайность? Разумеется, нет: природа в результате
миллионов лет эволюции и человек с помощью
инженерно-математических расчетов пришли в данном случае к
одному, оптимальному, результату. Так нельзя ли
архитектуре в определенных случаях позаимствовать
идеальные природные решения? Ответ на этот вопрос, причем
ответ положительный, дает 'биоархитектура, задача
которой — направленный, осознанный поиск архитектурных
форм, идеально «рассчитанных» самой природой.
Конечно, термин «заимствование» в применении к
биоархитектуре— не слишком точен. Не просто позаимствовать, а
глубоко изучить, познать внутренние закономерности
природных объектов и на этой основе создать нечто
принципиально новое—воплощенный в сталь,
железобетон и стекло архитектурный проект. И тогда творение
человеческих рук будет гармоничным, прекрасным,
экономичным, функциональным и высоко надежным.
Мы много сказали о плодотворности применения
бионических принципов для решения различных технических
задач, в том числе и тех, которые приходится решать в
борьбе за надежность. И теперь пора сделать одну
оговорку. Как ни «умна» природа, техника не может во всем
слепо следовать биологическим образцам.
Рассмотрим для примера резервирование некоторых
органов человеческого организма; этот метод природа
использовала для достижения высокой надежности.
Широко известны случаи, когда неизлечимая болезнь
заставляет врачей удалить у человека одну почку. Ну, а
как поступить в случае столь же безнадежного
заболевания печени? Ведь она, в отличие от почек, одна. То же
самое можно сказать и о сердце.
89

Люди научились применять для восстановления
жизнеспособности организма методы ремонта, которые
совершенно «незнакомы» природе. Переливание крови;
пересадка глазной роговицы взамен безнадежно
помутневшей; различного рода «детали» из металла и
синтетических материалов, заменяющие поврежденные части
суставов, хирургическая замена естественных сосудов
искусственными — эти методы прекрасно дополнили
арсенал природных средств организма в борьбе за жизнь.
А теперь пример метода повышения надежности,
которым пользуется природа, но который непригоден для
техники. Выше говорилось о том, что несмотря на
ежечасную безвозвратную гибель тысячи нейронов, головной
мозг человека продолжает полноценную
жизнедеятельность. Столь «щедрое» резервирование способно дать
прекрасные показатели надежности системы. Но можно
ли инженеру перенести подобные методы в технику?
Даже если бы они были сейчас осуществимы, от них
пришлось бы отказаться как от непомерно дорогих.
Человек безусловно вправе критически относиться к
тому, что создала и продолжает создавать природа.
Действительно, можно ли считать 'природу, как это имело
место долгое время, непогрешимой, а эволюцию —
совершенной? Такой вопрос задал себе известный польский
писатель-фантаст, врач по образованию, Станислав
Лем. И после долгих размышлений над научными
открытиями пришел к не слишком лестным для природы
выводам. «...Если отвлечься от своеобразных трудностей
инженерной деятельности Эволюции, — пишет С. Лем, — и
сосредоточиться исключительно на ее результатах, то
возникает желание написать пасквиль на Эволюцию».
Какие же упреки высказывает С. Лем в адрес природы?
Первой он называет несогласованную избыточность в
строении органов и передаче информации. «...Эволюция
подобна конструктору, который не заботиться о том,
чтобы все его автомобили достигли финиша: его вполне
устраивает, если доедет большая их часть». И вот несмотря
на примененное там и тут щедрое резервирование,
несмотря на целую иерархию различного рода регуляторов,
живой организм может быть разрушен в результате
закупорки одного единственного сосуда в мозге.
Второй упрек — в излишней сложности. Он состоит в
том, что природа в постепенном развитии организма не
90

исключает лишние элементы, сохраняя, будто по
инерции, реликты давно минувших эпох. В результате
человеческий зародыш при развитии последовательно
формирует жабры, хвост и т. д. Организм — и без того очень
сложная система, избыток же сложности увеличивает
возможность дискоординации, болезненных нарушений.
Эволюция может отыскать какое-либо решение
методом постепенных изменений только в том случае, если
эти изменения оказываются полезными уже в данном
поколении. Неспособна она решать и те задачи, которые
требуют не мелких постепенных перемен, а радикальной
реконструкции. Именно поэтому, указывает С. Лем,
природа не смогла «изобрести» колеса, ибо колесо с самого
начала должно быть самим собой, так как даже самое
маленькое колесо — это уже готовое колесо, а не какая-
то «переходная» форма.
Далее, как отмечают многие биологи, природа
уделяет основное внимание «разработке» лишь тех решений,
которые служат организму в фазе его наивысшей
жизнеспособности. А все, что не имеет такого большого
значения, зачастую оказывается в полном небрежении и в
течение жизни множества поколений пребывает в
незавершенной форме.
Следующая серьезная претензия к эволюции — за ее
неспособность накапливать опыт. В результате
замечательные достижения гибнут вместе с видом, который их
сформировал. С другой стороны, многие полезнейшие
достижения существуют только в условиях данного вида,
не распространяясь за его пределы. Овцам в ряде стран
приходится вставлять искусственные зубы взамен
стершихся, в то время как зубов, данных природой акулам и
грызунам, хватает до конца жизни.
Один из наиболее фундаментальных упреков к
эволюции— за нелогичный выбор «строительного»
материала. Из ^крохотных, клейких капелек белка 'природа
ухитрилась изготовить кровь и скелет, мышцы и железы,
панцири и мозг, шерсть и когти, глазную роговицу и
эпидермис, хрящи и многое, многое другое.
Универсальность конечных «изделий» особенно поразительна при
учете скудости исходных продуктов. Но с точки зрения
оптимальности методов решения проблемы оснований
для критики здесь немало. Столь же шаткие позиции у
природы, по мнению С. Лема, в обосновании выбора ис-
91

точника энергии для живых организмов. Ядерная
энергия или силовые поля, с его точки зрения, были бы куда
предпочтительнее.
Не во всем можно согласиться с Лемом в его критике
эволюции. Но полемизируя с ним, следует помнить, что
это конструктивная критика. «...На самом-то деле мы
вовсе не сочиняем пасквиля на нашу безликую
создательницу,— указывает польский писатель и философ.—
Мы имеем в виду совсем другое. Просто мы хотим быть
конструкторами более совершенными, чем она, и
должны поэтому остерегаться повторения ее ошибок».
Как сознательный творец, ясно видящий цель своего
творчества, человек в принципе должен и может
находить более логичные и более экономичные пути к
совершенству, чем те, которыми пользуется природа.
Сегодня природа — более опытный
«инженер-конструктор», чем люди. Но со временем человек обгонит
природу в своих поисках оптимальных решений.
И все же... И все же природа, по словам все того же
С. Лема, «...несомненно заслуживает чего-то большего,
чем просто восхищение — она заслуживает, чтобы у нее
учились». Современным специалистам, работающим в
той или иной области техники, она может преподать
множество полезных советов. Это бесспорно. В том числе,
как указывают акад. А. И. Берг и член-корреспондент
АН СССР Б. С. Сотсков, «...существенных результатов
следует ожидать от бионики в части повышения
надежности технических систем, в частности наиболее
экономичных методов достижения высокой (заданной)
надежности; методов многоступенчатого резервирования;
...методов автоматического изменения структуры;
автоматического изменения параметров элементов, устройств и
систем при неблагоприятных условиях; наиболее
экономичных методов защиты от неправильной работы при
сильных (опасных) внешних воздействиях и 'при
ненормальных режимах внутренних процессов».

ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Стандартизация и надежность. Запасные элементы.
Коэффициент готовности
В ознаменование победы над Казанским ханством,
положившей конец татарским набегам на русские земли,
царь и самодержец всея Руси Иван Васильевич по
прозванию Грозный повелел возвести в Москве храм. Почти
шесть лет, с 1555 по 1560 год, без устали трудились
мастера во главе с замечательными зодчими Бармой и Пост-
93

ником. А когда Покровский собор, что на рву (сейчас
его во всем мире знают под названием храма Василия
Блаженного) был построен и «зодчие» ждали царской
награды, Иван Грозный, как гласит предание, приказал
ослепить Барму и Постника, дабы они не могли никогда
и нигде больше создать подобного совершенства.
Иван IV был не оригинален. Тайное и гласное
ослепление и даже умерщвление создателей архитектурных
шедевров по приказу честолюбивых властителей
случалось и раньше — в древнем Вавилоне и Китае, в древней
Персии и в средневековой Европе. «Цари царей» и
императоры не были, как видно, сторонниками
стандартизации.
Ну, а в наше время без стандартизации не обойтись.
Пожалуй, нет нынче 'более важной
технико-экономической проблемы, чем проблема качества. Решение этой
проблемы открывает новые перспективы в развитии
технического прогресса, роста производительности труда,
увеличения национального дохода, более полного
удовлетворения потребностей советских граждан. «И
поскольку проблема качества продукции, — пишет председатель
Комитета стандартов, мер и измерительных приборов
доктор технических наук В. В. Бойцов, — сейчас уже не
может быть решена какими-либо отдельными мерами
совершенствования методов и средств производства, в
СССР создаются предпосылки для ее решения на базе
организации государственного управления качеством, в
основе которого лежит стандартизация в самом широком
ее понимании».
С унификацией и стандартизацией связаны и
вопросы специализации и кооперирования производства, и
организация научно обоснованной системы управления
народным хозяйством, и применение в технологии многих
прогрессивных методов (таких, например, как
агрегатирование), и разработка совершенных средств и способов
контроля, измерений и испытаний продукции, и
множество других общих и частных проблем современной
техники и индустрии.
Не решить без стандартизации и проблему
надежности. Стандартизация, осуществляемая в сферах
проектирования, производства и эксплуатации изделия и
основанная на подлинно научной базе, служит мощным
оружием в борьбе с отказами. Не менее действенно и ее вли-
94

яние на повышение показателей ремонтопригодности
технических систем многократного использования. (Под
ремонтопригодностью понимают приспособленность
объекта к предупреждению и устранению отказов.)
Следует учитывать, что чем более комплексный
характер имеет стандартизация, чем более полно
используют ее на всех этапах создания и эксплуатации
промышленной продукции, тем более эффективно она
воздействует на показатели надежности и долговечности. Кроме
того, стандартизация прогрессивных методов
проектирования, производства и эксплуатации технических
изделий, основанная на современных достижениях науки и
техники и постоянно развивающаяся в связи со все
новыми их успехами, чрезвычайно благотворно влияет на
процесс профессиональной подготовки кадров. А это в
свою очередь оборачивается новыми успехами в борьбе
за надежность.
Стандарты, имеющие непосредственное влияние на
надежность, можно—в какой-то степени
условно—разделить на три группы. К первой группе следует отнести
стандарты, влияющие как на статистические, так и на
регулярные факторы надежности. Это прежде всего
стандарты на качество исходных материалов и
полупродуктов, на использование узлов и агрегатов
экспериментально определенной надежности, на технологические
процессы производства и т. д.
Вторая группа объединяет стандарты, влияющие
на статистические факторы надежности. В нее входят,
например, стандарты на организацию производственного
процесса, на методы и процедуру контроля и ряд других.
Наконец, третья группа — это стандарты, благотворно
воздействующие на регулярные факторы надежности.
К ней можно отнести стандарты на методы
проектирования, на объем и характер обязательной
исследовательской документации проектировщиков, на процессы
функционального проектирования комплектующих узлов, на
четкое определение характеристик изделий в связи с их
дальнейшим использованием в тех или иных
климатических условиях, ,на нормы испытаний и т. п.
В нашей стране стандарт имеет силу закона. Вот
почему его влияние на показатели качества и надежности
изделия особенно велико. И, безусловно, будет еще
больше. Порукой тому — огромное внимание, которое уделя-
95

ется в настоящее время вопросам стандартизации, и
наши богатые традиции в этой области.
Уже в первые годы индустриализации нашей страны
советское правительство приняло решение об
организации плановой и научно обоснованной работы по
стандартизации. 15 сентября 1925 года постановлением
Совнаркома при Совете Труда и Обороны был создан Комитет
по стандартизации. Но и еще раньше, в 1927 году, уже
работало Центральное бюро по стандартизации.
В настоящее время всю работу по стандартизации
направляет Комитет .стандартов, мер и измерительных
приборов Совета Министров СССР. В его системе
двенадцать институтов, в том числе такие, как
Всесоюзный научно-исследовательский институт стандартов
(ВНИИС), Всесоюзный научно-исследовательский
институт технической информации, классификации и
кодирования (ВНИИКИ). Кроме того, вопросами
стандартизации в отраслях промышленности заняты свыше
четырехсот отраслевых НИИСтандартизации. Наконец, на
каждом крупном предприятии, в каждой большой про-
ектно-конструкторской организации есть специальные
службы, основная задача которых — внедрение
принципов стандартизации в практику проектирования и
производства. И всегда за этими мероприятиями, как одна из
их целей, стоит задача повышения качества и
надежности промышленной продукции.
Изложенные выше соображения о значении
комплексной стандартизации для повышения надежности
промышленной продукции можно было |бы с равными
основаниями поместить и в любой из предыдущих глав. Так
что выбор данной главы в какой-то мере случаен. Но
откладывать разговор о стандартах больше было нельзя.
Дело в том, что эта глава — последняя, где речь идет
о собственно надежности; последующие же посвящены
связи проблемы надежности с некоторыми другими
научными дисциплинами, а также отдельным
организационным вопросам.
А сейчас нам предстоит поговорить еще о нескольких
фундаментальных понятиях теории надежности,
связанных с восстановлением работоспособности технической
системы в случае отказа.
Дамоклов меч отказа постоянно висит над любым
техническим устройством. В значительной мере меропри-
96

ятия, которые предпринимаются в процессе создания
изделия, ослабляют опасность отказа. Однако полностью
устранить возможность возникновения неисправности
нельзя.
В тех случаях, когда техническое устройство
находится в эксплуатации в доступных местах, обслуживающий
персонал готов во всеоружии встретить любой отказ.
(Кстати, как показали действия экипажа кораблей «Со-
юз-4» и «Союз-5», недалек тот день, когда ремонт
технического устройства даже в космосе перестанет быть
неразрешимой проблемой.) Насколько часто приходится
устранять отказ, зависит от сложности технического
устройства, надежности деталей, совершенства технологии
изготовления объекта, наличия и качества систем
контроля, условий эксплуатации, квалифицированности
ремонта.
В качестве примера рассмотрим аппаратуру
магистральной дальней связи. При протяжении 2400
километров такая аппаратура содержит примерно 40 тысяч
деталей. Допустим, что все детали имеют одинаковую
интенсивность отказов, равную 5 • 10~7 час. Вычислим
примерно, сколько раз за год эту аппаратуру придется
ремонтировать, т. е. сколько раз в год возникнут отказы.
Очевидно, интенсивность отказов аппаратуры Х=4- 104Х
Х5*10~7 = 0,02 в час, а ее средняя наработка до отказа
1 1
Т= — = ——=50 часов, т. е. каждые 50 часов работы
нужно быть готовым к ремонту, или, другими словами,
ремонтировать аппаратуру вероятнее всего придется 175
раз в течение года.
Но аппаратура магистральной связи далеко не самая
сложная из существующих технических систем. В
современных вычислительных машинах насчитывается до 500
тысяч деталей. Практически это означает, что если
надежность изделия низкая, то .может сложиться ситуация,
когда аппаратура будет находиться в ремонте больше
времени, чем работать. Выход из этого положения, с
одной стороны, в повышении надежности деталей, а, с
другой— в сокращении времени ремонта. Последнее
достигается, в частности, созданием технических устройств,
которые максимально приспособлены к ремонту. Это
особенно важно для сложных технических устройств, ибо
чем сложнее объект, тем, конечно, труднее его ремонти-
4 3467 97

ровать. Нередко за период эксплуатации расходы на
обслуживание и ремонт в 10—12 раз больше стоимости
устройства. Вот 'почему затраты на обеспечение высокой
ремонтопригодности технических устройств с лихвой
окупаются в последующем, хотя первоначальная цена
устройств возрастает.
В арсенале средств создания ремонтопригодных
технических устройств — широкая стандартизация и
унификация узлов, механизация 'монтажных работ, составление
четких и ясных инструкций по эксплуатации и т. д. От-
ж1Ило свой век многообразие деталей и узлов,
одинаковых по назначению и разных по схеме. Отечественная
промышленность даже телевизоры различных марок
выпускает сейчас на унифицированных схемах. Надежность
изделий при этом существенно повышается. В телевизоре
«Старт», например, одним из самых распространенных
отказов было сгорание накального витка
высоковольтного кенотрона 1Ц11П. После того как завод применил в
телевизоре «Старт» унифицированный трансформатор,
процент отказов из-за этого повреждения уменьшился с
15 до 1,2, т. е. более чем в 10 раз.
Однако ремонтопригодность — лишь часть большой
проблемы восстанавливаемости технических устройств.
Восстанавливаемостью называют свойство объекта,
определяющее возможность получения допустимых
значений параметров системы в случаях устранения
неисправностей. Для многих технических устройств критично не
столько наличие самого отказа, сколько время простоя
объекта при отыскании и устранении отказа. Исходя из
конкретных условий для каждой системы можно указать
допустимое время простоя. И если устранение отказа
происходит в течение времени, меньшего, чем
допустимое, система не будет прекращать свое нормальное
функционирование. Иными словами, не все отказы
деталей будут отказами системы.
Теперь нам следует уточнить, что такое отказ
системы, которая может восстанавливаться. Но для этого
сначала познакомимся с понятием заявки на обслуживание.
Любое техническое устройство предназначено для
выполнения некоторой вполне определенной задачи. Это
очевидное положение включает в себя такой случай,
когда задача выполняется не постоянно, а только в
некоторые моменты или промежутки времени. Всякую потреб-
98

ность в использовании технического устройства
называют заявкой, а удовлетворение потребности —
обслуживанием заявки. Терминология эта может показаться
несколько непривычной, но она применима во всех
случаях. Так, с точки зрения командира зенитной батареи,
всякий вражеский самолет — это заявка, обслуживание
которой означает уничтожение самолета. Если самолетов
больше, чем пушек на батарее, образуется очередь на
обслуживание. Таким образом, если техническое
устройство предназначено для выполнения функций по мере
поступления заявок, критерием отказа служит не
неисправность устройства, а отказ в заявке на обслуживание.
В связи с задачей уменьшения очереди возникает
проблема планирования оптимальных условий работы
технического устройства. Проиллюстрируем на
конкретном примере, какого типа вопросы при этом приходится
решать. Допустим, что нужно построить аэропорт с
несколькими взлетно-посадочными полосами. На языке
теории надежности каждая полоса — канал
обслуживания (самолета). Прибывающий в соответствии с
расписанием (т. е. в соответствии с распределением входящего
потока заявок) самолет присоединяется к очереди
самолетов, ожидающих разрешения на посадку. Очередь
самолетов может создаваться и на земле; в этом случае
она связана с обслуживанием уже другой заявки и с
ожиданием разрешения на вылет.
Каждая из этих очередей характеризуется своими
параметрами. Приземляющиеся самолеты могут прибывать
группами, и если посадочная полоса узкая, члены
каждой группы должны быть в воздухе в районе аэропорта
и приземляться в определенном порядке. В любом случае
время обслуживания должно как-то распределяться. Для
разных типов самолетов отводятся различные взлетно-
посадочные полосы. В этом случае распределение
времени обслуживания может изменяться от одной полосы к
другой. Если общее время ожидания пассажиров нужно
свести к минимуму, то, очевидно, специальных расчетов
не требуется; ясно, что первыми должны производить
посадку те самолеты, на борту которых больше
пассажиров. Но у реактивных самолетов запас топлива ограничен.
В связи с этим может сложиться ситуация, при
которой необходимо будет немедленно предоставить
посадку самолету с меньшим числом пассажиров или приле-
4* 99

тевшему позже. Кроме того, возможны случаи аварийной
обстановки, которые (не зная вероятностных
характеристик потока заявок) нельзя предусмотреть при
строительстве аэропорта.
В этом примере основной поток заявок на
обслуживание может быть определенным образом упорядочен
благодаря расписанию. Но многие технические устройства,
например АТС, предназначены для обслуживания
случайно поступающих заявок. Критерием отказа
телефонной станции считается не просто ее неисправность, а
отказ абоненту в соединении с нужным номером. Если
заявки на связь (обслуживание) поступают редко,
неисправность можно устранить до того, как возникнет
потребность в аппаратуре. Значит с учетом заявок на связь
телефонная станция может находиться в любой момент
времени в одном из следующих состояний: аппаратура
исправна и заявок на связь нет; аппаратура исправна и
обслуживает заявку (происходит разговор абонентов);
аппаратура неисправна (производится ее ремонт) и
заявок нет; поступила заявка на соединение в тот период,
когда неисправная аппаратура ремонтировалась.
Таким образом, для системы характерно только одно
отказовое состояние из четырех возможных. Этот факт
существенным образом сказывается на характеристике
надежности аппаратуры. Без учета заявок, как мы знаем,
средняя наработка на отказ АТС оценивалась бы
обратной величиной интенсивности ее отказов. А теперь
среднее время до отказа заявке на обслуживание
оценивается суммой двух слагаемых. Первое слагаемое —
среднее время работы между возникновением неисправностей
в аппаратуре. Второе слагаемое представляет собой
произведение среднего времени работы между
неисправностями аппаратуры и отношения среднего времени между
поступлением заявок к среднему времени ремонта
аппаратуры (устранения неисправности).
Но такое решение пригодно, если заявки поступают
лишь от одного абонента. На самом же деле абонентов
много, и заявки на связь поступают достаточно часто.
Поэтому отказ в соединении может произойти не только
из-за неисправности АТС, но еще и когда канал связи
занят другим абонентом. Число возможных состояний
системы возрастает до пяти. Из них уже два состояния—
отказовые. И тем не менее безотказность системы по-
100

прежнему в значительной мере зависит от того, как
долго аппаратура работает без неисправностей и как быстро
удается ее отремонтировать (восстановить
работоспособность), если неисправность возникла.
Восстанавливаемость технического устройства
предусматривается еще при проектировании. Однако
осуществляют восстановление в основном на этапе
эксплуатации заменой пришедших в негодность элементов
запасными, ремонтом.
Организация снабжения предусматривает
своевременную и в достаточном количестве поставку
необходимых деталей, узлов, инструмента. Их отсутствие
значительно увеличивает время простоя и, следовательно,
снижает восстанавливаемость и надежность аппаратуры.
Однако вовсе не значит, что техническое устройство
следует обеспечивать по возможности большим количеством
запасных деталей.
Последствия недостаточного запаса очевидны. Но не
меньше неприятностей вызывает и излишне большой
запас. Как нам известно, детали обладают способностью
приходить в негодность даже тогда, когда они хранятся
в идеальных климатических условиях. На практике же
хранению запасных деталей при эксплуатации
уделяется, конечно, существенно меньшее внимание, чем
работающему техническому устройству. Их часто размещают
для хранения в любом свободном месте — лишь бы они
не загромождали помещения. Воздействие на них
климатических условий при этом, естественно, может быть
значительно большим, чем на работающее техническое
устройство. Поэтому никак нельзя исключать возможность,
что запасная деталь за время хранения выйдет из строя.
В связи с этим при расчете количества запасных деталей,
необходимых для ремонта, приходится учитывать
вероятность отказа части из них в течение срока хранения.
Что же такое ремонт, какое содержание вкладывают
специалисты в это понятие?
Под ремонтом понимают организацию и выполнение
работ по восстановлению работоспособности и ресурса
работы технического устройства. Различают плановый и
текущий ремонты. Основное назначение планового
ремонта — восстановление ресурса и продление
долговечности устройства. Для этого с определенной
'периодичностью производят осмотры и различного рода проверки
101

отдельных узлов >и всего устройства в целом. При таком
ремонте заменяют те детали, которые износились
настолько, что могут вызвать отказ объекта. Текущий
ремонт (Предназначен для восстановления
работоспособности устройства после отказа.
При организации и проведении текущего ремонта
одна из главных задач, решение которой позволяет
существенно сократить время простоя, — успешный поиск
неисправностей. Всякий ремонт технического устройства в
большинстве случаев можно разбить на следующие
этапы (определив при этом в среднем приходящуюся на
них долю общего времени ремонта): установление места
неисправности с точностью до сменного элемента и
установление характера неисправности—до 70% времени
ремонта; устранение неисправности — до 15%;
последующая проверка работоспособности объекта — до 15%.
Иными словами, большая часть времени затрачивается
на поиск и установление причины неисправности. Вот
почему вопросам поиска и локализации (определения
места) отказов уделяется много внимания.
Конечно, чем выше квалификация обслуживающего
персонала, тем легче и быстрее будет отыскана и
устранена неисправность. Но технических устройств
становится все больше, а значит, и обслуживающий персонал
приходится увеличивать. Кроме того, техническое
оснащение предприятий постоянно обновляется, и на
освоение новой техники требуется определенное время.
Наконец, обновляются и кадры: одни уходят на заслуженный
отдых, другие осваивают новые профессии, а на смену
им приходит молодежь. Вот почему наиболее
действенный способ поддержания постоянной готовности
технических устройств — обеспечение высокого уровня их
ремонтопригодности. Об одной стороне решения этой
задачи мы говорили выше: унификация, резервирование,
правильное и целесообразное оснащение запасными
деталями, узлами.
Другое важное направление—использование
разнообразных устройств контроля работоспособности,
выносных или встроенных в техническое устройство. В
современных системах различные устройства контроля
проверяют готовность объекта к выполнению задания всякий
раз перед началом работы; постоянно следят за
изменением параметров объекта во время работы и информиру-
102

ют обслуживающий персонал об отказе, как только
такой произойдет; отыскивают места отказа с точностью до
сменного элемента (функционального узла, блока);
производят автоматическое переключение на резерв в случае
отказа основного элемента; наконец, позволяют заранее
выявить приближение отказа. Если система контроля
встроена в объект и работает автоматически, она, как
правило, вначале проверяет работоспособность объекта в
целом, а затем, при наличии отказа, отыскивает место,
где он .произошел.
При построении систем контроля обязательно
решается вопрос, где применять контроль — в отдельных
деталях, узлах или на уровне всей схемы в целом. В
принципе можно построить такие системы контроля, которые
указывают место неисправности технического устройства
с точностью до детали (например, конкретного
резистора, конденсатора, лампы). Но такая детализация, как
правило, не нужна. Для каждого конкретного случая
можно составить оптимальный вариант разделения
устройства на контролируемые участки.
Системы контроля строятся таким образом, что
отыскание неисправных элементов заканчивается на строго
определенном этапе проверки. При этом стремятся к
тому, чтобы, с одной стороны, время отыскания и
устранения неисправности, а также количество запасных
элементов были минимальными и, с другой, не нриходилось
заменять слишком большое количество исправных
элементов из-за недостаточно точной локализации отказа.
Большое внимание уделяется также характеру
собственных возможных отказов систем контроля.
Предусматривается такая конструкция, при которой отказ любого
элемента системы встроенного контроля не нарушает
работоспособности технического устройства. Следует
помнить, что между отказами контролирующей системы и
надежным функционированием объекта контроля всегда
имеется логическая связь. Если система контроля не
выявляет неисправный элемент и показывает, что он
нормально функционирует, то время ремонта технического
устройства, естественно, возрастет. Тем самым
применение такой системы контроля понизит надежность
устройства по сравнению с неконтролируемым.
Для качественного контроля очень важна
последовательность проверки различных параметров технического
103

устройства. Она сказывается и на длительности поиска
отказавшего элемента, и на вероятности правильной
оценки состояния устройства. Как правило,
последовательность проверок, выполняемых системами контроля,
аналогична правилам, которыми руководствуется и
опытный оператор при. отыскании неисправностей.
Системы встроенного контроля действуют по строго
заданной программе и информируют оператора о
результатах своих поисков немедленно, как только найдут
неисправность и место, где она произошла. Для этого
система встроенного контроля непременно обеспечивается
устройствами сигнализации. Их размещают так, чтобы
оператор в любой момент мог легко определить
состояние объекта контроля. Сигнализация может быть,
например, световой. Как только система определит место, где
возник отказ, на операторском пульте загораются
лампочки, которые указывают «адрес» отказа. Кроме того,
на пульте находится экран осциллографа, и оператор
может увидеть, какие сигналы поступают на вход или с
выхода контролируемого объекта. В случае
необходимости для проверки можно послать какой-нибудь
стандартный сигнал, форма которого на выходе объекта известна.
Если же она окажется не такой, какой должна быть, это
убеждает оператора в том, что система контроля
работает правильно, а объект контроля неисправен.
При построении контролирующих систем большое
внимание уделяется их универсальности и
рациональности «технологии» контроля. Универсальность позволяет
уменьшить количество систем контроля и их стоимость.
Под рациональной «технологией» понимается
оптимальный выбор контролируемых параметров и, главным
образом, выбор правильной последовательности проверки
различных параметров, возможность одновременной
проверки нескольких параметров, установление групп
параметров, для которых существует единая общая проверка,
и т. п. Все это позволяет сократить время контроля.
Поскольку системы встроенного контроля сами могут
оказаться неисправными и давать ложную информацию,
они в процессе испытаний осуществляют самопроверку.
Необходимо отметить, что наличие системы контроля
позволяет вообще сократить число возможных отказов
технического устройства. Этого можно добиться, если
объект систематически проходит плановые осмотры.
104

Правильная их постановка значительно улучшает
состояние технического устройства и уменьшает потребность в
текущем ремонте. Плановый ремонт технического
устройства часто называют профилактическим
обслуживанием или просто профилактикой. Главное содержание
профилактики — контрольно-регулировочные работы,
т. е. контроль состояния основных параметров объекта и
их изменение при помощи предусмотренных органов
регулировки без внесения каких-либо перемен в схему и
конструкцию устройства.
Для количественной характеристики планового
ремонта введены понятия объема профилактики и ее
эффективности. Объем профилактических работ оценивают
их продолжительностью. Она зависит прежде всего от
того, насколько хорошо продуманы и обеспечены
операции по профилактическому обслуживанию технического
устройства. Эффективность профилактического
обслуживания определяется отношением средней наработки на
отказ профилактируемого устройства к тому же
параметру устройства, не прошедшему профилактики.
Профилактическое обслуживание часто планируется
на тот период, когда техническое устройство наименее
загружено. В этом его существенное преимущество, так
как стоимость простоя оказывается минимальной. Во
время профилактики не только проверяют
работоспособность объекта, но и выявляют те его узлы, параметры
которых близки к предельно допустимым нормам — к
границам области работоспособности, т. е. проводятся
простейшие граничные испытания. Зная время, которое
объект должен проработать до следующей профилактики,
устанавливают, насколько сильно изменятся параметры
функционального узла и приведут ли эти изменения к
отказу всего объекта. Другими словами, в процессе
профилактики определяют положение рабочей точки и ее
расстояние от границ области безотказной работы.
Чтобы определить целесообразность замены детали,
у которой изменились параметры, нужно знать,
во-первых, математическую зависимость скорости изменения
этих параметров от времени и, во-вторых, зависимость
выходных параметров функционального узла от
параметров деталей. Как мы знаем, такие зависимости можно
точно определить лишь в редких случаях. Поэтому часто
приходится использовать другой метод, который называ-
105

ют методом аппроксимации. При использовании этого
метода регистрируют количественные изменения
выходных параметров функционального узла и первичных
параметров при нескольких предупредительных осмотрах.
Затем строят график и отмечают на нем значение
выходного параметра функционального узла, при котором
объект не выполняет по крайней мере одну из своих
функций. Исходя из закономерностей изменения кривой
на таком графике, несложно установить, когда
какую-либо деталь целесообразно заменить.
Для того чтобы в результате профилактического
осмотра достаточно полно оценить состояние устройства,
необходимо провести множество контрольных операций.
Но, с другой стороны, профилактика не может
продолжаться произвольно долго: длительный простой
дорогостоящего оборудования крайне нежелателен — по
экономическим и прочим соображениям. Сроки проведения
профилактики определяются на основе тщательного
изучения закономерностей возникновения отказов.
Преждевременное назначение профилактических работ приводит
к нерациональному простою технического устройства.
Следствие же необоснованного увеличения промежутка
между предупредительными ремонтами — рост числа
отказов. Оптимальная периодичность и продолжительность
профилактических работ существенно зависит от
квалифицированности обслуживания, ремонтопригодности
технического устройства и его конструктивных
особенностей. Намного уменьшает время ремонта объекта и
применение систем контроля.
Для многих видов технических устройств вероятность
успешного ремонта (в случае отказа) за время t удается
записать в виде простого математического соотношения:
^рем(0 = 1—е-^.Оно изображается в виде кривой,
напоминающей по форме кривую изменения вероятности
безотказной работы в зависимости от времени. Однако
характер этих кривых принципиально различен (первая
падает, вторая нарастает). Чем больше времени длится
ремонт, тем больше вероятность того, что он закончится
полным восстановлением работоспособности изделия.
Такое математическое выражение вероятности успеха
восстановительных работ есть следствие предположения
о том, что время ремонта объекта (случайная величина)
имеет характеристики того же типа, что и время работы
106

объекта до отказа. Или, иначе, предполагается,
во-первых, что в любой конкретный момент времени
ремонтируется только один объект (либо все объекты нормально
работают), во-вторых, что за любые одинаковые
промежутки времени может быть отремонтировано одинаковое
количество одинаковых объектов, и, наконец, что все
операции при ремонте не связаны между собой. Конечно,
практически в каждом из этих предположений есть
«натяжки». Однако специалисты по надежности обойтись
без них не могут, так как использование подобных
предположений позволяет достаточно просто производить
оценку всех основных количественных характеристик
надежности технических устройств. В то же время ошибки,
которые могут иметь место в результате этих
предположений, с практической точки зрения достаточно малы.
По своей сути указанные предположения сводятся к
тому, что величина [i (интенсивность
восстановления) — постоянна, т. е. не зависит от времени. Как
интенсивность отказов связана со средней 'наработкой
объекта до отказа, так и интенсивность ремонта
(восстановления) объекта связана со средним временем ремонта —
эти величины обратно пропорциональны, т. е. Т^еи = — .
Чем Грем меньше, тем, конечно, легче поддерживать
высокую надежность технического устройства в процессе
эксплуатации.
Ремонт позволяет существенно повысить
характеристики надежности технических устройств. Так средняя
наработка до первого отказа у дублированного
устройства при резервировании замещением составит:
1 з + 7
дубл х " 2 '
где y= — • Поскольку А,, как правило, по крайней ме-
ре на порядок меньше \х, то практической оценкой
средней наработки до отказа описываемой системы может
1 7
служить соотношение Г^—.— . Если, например, сред-
X 2
нее время ремонта одиночного устройства в 100 раз
меньше его средней наработки до отказа, то его
резервирование замещением 'приведет к 50-кратному увеличению
наработки до отказа. Заметим, что для мажоритарной
системы это увеличение далеко не столь велико, а мате-
107

матическое соотношение для оценки средней наработки
до отказа имеет вид:
Т =— 5 + Т
маж X ' б '
Если заранее известно среднее время между
поступлением заявок на обслуживание, то еще на стадии
проектирования часто удается предусмотреть достаточно
эффективные меры с тем, чтобы среднее время ремонта
было меньше среднего времени между поступлением
заявок. Из таких мер зачастую наиболее эффективными
оказываются использование систем контроля различного
вида и наличие запасных элементов.
При разработке систем контроля работоспособности
прежде всего выбирается принцип их действия. Но
основная идея всегда одна: каждый шаг, предпринимаемый
в процессе отыскания неисправного элемента, должен
давать наиболее полную информацию о том, как
поступать дальше. Часто самым логичным направлением
поиска бывает постепенное сужение границы возможной
неисправности. Это означает, что на каждом этапе
поиска в результате замера определенных параметров
объекта выясняется, какую часть схемы можно исключить из
дальнейшего рассмотрения как исправную.
Если техническое устройство состоит из узлов
одинаковой надежности (т. е. с одинаковой вероятностью
отказа), но требующих разного времени для проверки их
работоспособности, то первым проверяется узел,
характеризующийся минимальным временем проверки. Если же
надежность (в указанном выше смысле) у всех узлов
разная, а время их проверки одинаково, первым
проверяется узел с минимальной надежностью. Чаще всего,
однако, техническое устройство состоит из узлов, у которых
различны и надежность и время проверки. Для
определения последовательности контрольных операций в случае
отказа технического устройства сначала вычисляют
отношение вероятности безотказной работы каждого узла
к вероятности его отказа. Первым проверяется тот узел,
для которого произведение времени проверки на это
отношение — величина минимальная.
Большой эффект в повышении уровня надежности
находящегося в эксплуатации технического устройства
дает применение систем автоматического встроенного конт-
108

роля. При оценке целесообразности их использования
часто рассматривают наиболее неблагоприятный
вариант— когда они не автономны ни по схеме построения, ни
по конструкции. В этом случае отказ встроенной системы
контроля неизбежно вызывает отказ всего технического
устройства, и ремонтировать систему контроля отдельно
от технического устройства нельзя. Положительно »
решить вопрос о применении таких систем контроля можно,
если некоторый параметр, характеризующий надежность
технического устройства, которое может
восстанавливаться после отказа, был больше соответствующего
параметра у устройства без системы контроля
работоспособности. Таким параметром служит коэффициент
готовности. Его, очевидно, следует рассмотреть поподробнее,
так как оценка целесообразности применения систем
контроля работоспособности далеко не единственная, да,
пожалуй, и не главная задача, в решении которой такой
коэффициент играет первостепенную роль.
В зависимости от назначения технического устройства
используется, как правило, одно из следующих трех
определений его готовности. Мгновенная готовность —
вероятность того, что техническое устройство будет готово
к действию в любой случайный момент времени.
Готовность к выполнению задачи — вероятность того, что
техническое устройство будет готово к действию в течение
заданного промежутка времени. Установившаяся
(стационарная) готовность — вероятность того, что
техническое устройство будет готово к действию в любой
момент очень большого периода времени.
Для системы, которая находится в режиме дежурства
(например, радиолокационная станция сопровождения,
включаемая только после того, как обнаружен самолет,
и служащая для сопровождения его в течение заданного
времени) наиболее ценная в этом смысле
характеристика — готовность к выполнению задачи. Надежность
технического устройства, которое должно начинать работу в
любой случайный момент времени, чаще всего
характеризуют наличием мгновенной готовности. Примером
такой системы может служить аппаратура, позволяющая в
случае необходимости получить данные о траектории
полета, а затем не работающая длительное время. И,
наконец, для технического устройства, работающего
непрерывно, наиболее важна установившаяся готовность.
109

Количественной характеристикой установившейся
готовности и служит коэффициент готовности. Его записы-
т
вают в виде Кг = ; таким образом, коэффици-
* i I рем
ент готовности — это среднее относительное время
пребывания технического устройства в исправном состоянии.
При небольшой средней наработке объекта до отказа
устройство основную часть времени находится в ремонте.
Если средняя наработка до отказа и среднее время
ремонта одинаковы, то в каждый момент времени
техническое устройство может быть как исправным, так и в
ремонте (неисправным). Большая средняя наработка
технического устройства до отказа означает, что основную
часть календарного времени оно пребывает в исправном
состоянии. Предельные значения коэффициента
готовности — нуль и единица — практически не встречаются.
Это связано с тем, что никто, понятно, не станет
изготовлять устройство, которое практически никогда не
выполняет поставленной задачи; не удается создать и такое
устройство, которое никогда не требует ремонта.
Но вернемся к оценке целесообразности
использования системы контроля работоспособности. Допустим, что
удалось построить такую систему автоматического
встроенного контроля, которая определяет место
неисправности с точностью до сменного элемента, а после
устранения отказа производит проверку работоспособности
объекта. Допустим также, что время ремонта технического
устройства при использовании такой системы
уменьшается в 5 раз. С точки зрения надежности применение
такой системы автоматического встроенного контроля
целесообразно даже в том случае, когда объем оборудования
(и следовательно, интенсивность отказов) системы
контроля не меньше, чем у контролируемого объекта.
Часто для оценки целесообразности применения
встроенной автоматической системы контроля с
экономической точки зрения сравнивают затраты на эту систему
с затратами на другие меры по повышению надежности.
Проведем такое сравнение и мы, выбрав в качестве
объекта наиболее простой случай резервирования.
Допустим, что дублируется не все техническое устройство, а
только некоторая его часть. Конечно, среднее время
устранения отказа в частично дублированном техническом
устройстве не меньше такого времени для одиночного
ПО

объекта. Пожалуй, единственное преимущество такого
резервирования в смысле сокращения времени ремонта
заключается в том, что при отказе дублированной части
технического устройства факт отказа будет установлен
немедленно. Тогда, если среднее время ремонта во много
раз меньше средней наработки до отказа, величина
коэффициента готовности объекта практически
определяется только той частью технического устройства,
которая не резервирована.
А теперь представим себе, что создана система
автоматического встроенного контроля, которая выполняет
все необходимые операции и объем оборудования
которой (и, тем самым, интенсивность отказов) составляет
20% от первоначальных показателей контролируемого
технического устройства. Предположим, кроме того, что
среднее время ремонта технического устройства за счет
использования этой системы уменьшается в 5 раз. Если
же мы пойдем по другому пути — по пути
резервирования, для получения такого же коэффициента готовности,
как у устройства ч: системой контроля, необходимо
дополнительно продублировать почти 75% объема
оборудования, т. е. почти в 4 раза больше.
Но и это еще не все. Ведь дублирование с
автоматическим переключением на резерв практически нельзя
использовать, ,не применив опять-таки хотя бы простейшую
схему контроля работоспособности. Ведь резерв «не
знает», когда ему нужно начинать работу. Поэтому для
объектов многократного применения использование систем
автоматического встроенного контроля
работоспособности в подавляющем большинстве случаев оказывается в
высшей степени целесообразным.
На этом, пожалуй, можно покончить с теорией
надежности. Но не с темой надежности в целом. Дело в том,
что, как уже говорилось, на надежность сейчас работают
многие науки. В том числе и та новая отрасль знания, о
которой пойдет речь в следующей главе.

ПРОБЛЕМА КОНТАКТА
«Ароматические ассоциации». Надежность системы
«человек и машина». У пульта управления
...Старик-индеец снял с пояса висевшие на нем
костяные ампулы, покрытые какими-то значками. Они лежали
на его темной ладони, и он, как живых, ласково
поглаживал их пальцами.
—'Вот этот запах напоминает мне о первом убитом
медведе, этот.— о рождении старшего сына, а этот — о
112

том, как я впервые увидел океан — Великую Соленую
Воду...
Такое — или примерно такое — могли услышать
путешественники в Америке в тот период, когда индейские
племена, подлинные хозяева континента, еще не были
загнаны в резервации. Да и теперь можно встретить
стариков-индейцев, которые с помощью пахучих веществ
будят в памяти давно минувшие времена, наиболее
дорогие им воспоминания.
«Ароматические ассоциации» — чрезвычайно
интересное явление. Психологи давно знают о нем и изучают
его. А в последнее время им заинтересовались
представители новой науки — эргономики, занятой изучением
трудовых процессов человека в современных условиях.
О том, почему «ароматические ассоциации» и запах
вообще привлек внимание эргономистов, будет рассказано
в конце этой главы. А сейчас попробуем разобраться в
том, что это за наука — эргономика, из каких дисциплин
она состоит и что может дать современному
производству в борьбе за надежность технических устройств.
Надежность работы технического устройства зависит
не только от уровня надежности самого этого устройства.
Огромное значение в этом смысле имеет качество
контакта человека .с той или иной технической системой.
Ведь если, скажем, станок, неудобен в управлении, то
это, естественно, сказывается не только на
производительности, но и на надежности его работы. Проблемой
контакта человека с машиной в процессе трудовой
деятельности занимается, в частности, упомянутая выше
новая наука — эргономика (от греческих слов «эргон» —
работа и «номос» — закон).
Как и многие другие современные научные
дисциплины, эргономика возникла на стыке целого ряда отраслей
знания — психологии, физиологии высшей нервной дея-^
тельности, общей физиологии, техники, экономики,
статистики, гигиены труда, бионики, эстетики. Такая
синтетичность подарила «новорожденной» мощное оружие —
богатый арсенал методов и средств, сделала ее не только
жизнеспособной, но и очень продуктивной. Вызванная к
жизни по велению времени, эргономика уже внесла
огромный вклад в развитие техники и производства.
Современная оргономика — комплексная наука;
условно ее можно разделить на две основные дисципли-
113

ны— инженерную психологию и техническую эстетику.
(Правда, многие специалисты считают термин
«эргономика» синонимом инженерной психологии, выделяя
техническую эстетику в отдельную отрасль знания. Кроме
того, следует учесть, что техническая эстетика, если
считать ее отраслью эргономики, входит в последнюю лишь
одной, пусть большей своей частью, а другая ее часть
принадлежит искусству.) Об этих научных дисциплинах,
об их приложении к борьбе за надежность и пойдет речь
в данной главе.
История инженерной психологии восходит к началу
нынешнего века и связана с первыми попытками
построения научной организации труда. Первая в этой области
разработка — американская «система Тейлора» —
стремилась рационализировать трудовые функции человека.
Речь в ней шла об организации на научной основе
производительного труда с относительно простыми
инструментами, приспособлениями и машинами,
использовавшимися в .промышленности того времени. В. И. Ленин
высоко оценил новое, только зарождавшееся
направление— научную организацию труда (НОТ). Позднее он
указывал, что освободив тейлоризм от черт,
характерных для эксплуататорского капиталистического строя,
можно и должно использовать его полезные стороны в
нашем социалистическом обществе. (Подробнее о НОТ
рассказано в главе «Часовые надежности».)
В 20-х годах в нашей стране начинают
разворачиваться научно-теоретические и научно-практические
работы по психотехнике. Это еще не была инженерная
психология в современном понимании, но именно тогда
были заложены важнейшие предпосылки ее развития в
дальнейшем. Психотехника имела немало недостатков,
но многие проблемы она решала в общем успешно. Более
того, ряд проведенных в те годы исследований дал
результаты, которые до сих пор не утратили своего
теоретического и практического значения.
Созданные в течение первого десятилетия советской
власти институты и лаборатории рационализации
трудовых процессов работали в различных ведомствах, на
отдельных предприятиях, в военных учреждениях.
Исследования проводились по трем основным этапам.
Объектом на первом из них был человек, или, как тогда
говорили, «субъективный фактор трудового процесса».
114

Человек, его психологические и физиологические
возможности изучались с точки зрения максимальной
эффективности работы. Второй этап психотехнических
работ был в большей степени инженерным: изучение
материально-предметной обстановки производства и
приспособление ее к человеку. На третьем этапе, исходя из
накопленных данных, ученые переходили от анализа к
синтезу и были заняты разработкой рациональных методов
организации трудовых процессов в различных
конкретных условиях.
В середине 30-х годов интерес к проблемам научной
организации труда был в нашей стране, к сожалению, в
значительной мере утрачен. Психотехнические
исследования начали свертываться, и через некоторое время в этой
области сохранились лишь немногочисленные
учреждения, занимавшиеся главным образом вопросами гигиены
и физиологии труда.
На новой основе инженерная психология как отрасль
науки сформировалась в 40—50-х годах. Именно в этот
период специалисты отчетливо осознали, что многие
технические .вопросы нельзя успешно решить изолированно
от изучения роли человека в той или иной технической
структуре. Стало окончательно ясно, что проектировать
и строить надо не собственно техническую систему, а
систему «человек и машина».
Основой и причиной этого нового подхода к технике,
вызвавшего развитие инженерной психологии, были те
основополагающие изменения в промышленном
производстве, которые повлек за собой бурный технический
прогресс нашего времени, и прежде всего широкое
внедрение в практику механизации и автоматизации
производственных процессов. Все это не только не уменьшило,
как полагали некоторые, значимости изучения
«человеческого фактора» как части производительной системы, но
резко увеличило ее. Изучение этого фактора теперь шло
в значительной мере в совершенно ином направлении.
Прежде, когда в 'производстве применялись простые
машины и несложный инструмент, внимание ученых
привлекали в основном внешнедвигательные функции
человека. Орудия труда могли быть приспособлены к
возможностям человека на основе сравнительно несложных
антропометрических, физиологических, биомеханических
данных, а также чисто эмпирическим путем. Технический
115

прогресс привел к коренному изменению функций
человека в производственных процессах.
Чем занят, например, оператор автоматической
технологической системы? Прежде всего необходимо
отметить, что он имеет дело с огромным количеством
информации, которую ему несут различные сигналы. Он
воспринимает эту информацию, перерабатывает ее и
принимает необходимые решения. На основе этих решений он
отдает те или иные команды о внесении соответствующих
корректировок в технологический процесс. Кроме того,
полученную информацию и принятые решения он
запоминает, что необходимо для дальнейшей работы — могут
возникнуть аналогичные ситуации, и на основе
имеющегося опыта безусловно легче оправиться с ними.
Двигательные операции теперь имеют небольшое значение, они
уже не требуют особой точности, ловкости, координации
и значительных физических усилий. Таким образом,
основное содержание деятельности оператора составляет
активное восприятие, мышление, память, т. е. внутренние,
психические операции.
Понятно, что в таких условиях ни на один серьезный
вопрос согласования работы человека и технической
системы нельзя ответить, опираясь лишь на опыт и здравый
смысл. На них можно найти ответ только в результате
глубоких инженерно-психологических исследований,
иногда чрезвычайно сложных. А без решения этих
вопросов тоже обойтись никак нельзя, ибо в современных
условиях всякий просчет может обойтись весьма дорого.
Приведем такой пример. Допустим, что созданная,
уже готовая система в результате неправильных выводов
о возможностях управляющего ею человека подает ему
в единицу времени такое количество информации,
которое человек в условиях данной конструкции пульта
управления и решаемой задачи не может переработать.
Вероятность ошибки оператора возрастает, и
соответственно этому снижается надежность работы системы. Ведь,
как уже говорилось, надежность работы системы
«человек и машина» зависит не только от надежности ее
технической подсистемы, но и от надежности второй ее
«подсистемы» — человека.
Надо сказать, что хотя изучение функции человека в
системах управления на уровне внутренних 'психических
операций развилось в последние два-два с половиной
116

десятилетия, в связи с успехами автоматизации
производства, в некоторых областях техники оно
потребовалось значительно раньше. Так, например, еще в 30-х
годах советские ученые Н. В. Зимкин, С. М. Роденберг,
Н. М. Добротворский, И. А. Эппле провели глубокие
исследования, которые не только внесли важный вклад в
советское самолетостроение, но и явились серьезными
предпосылками позднейшего развития отечественной
инженерной психологии.
В настоящее время советская инженерная
психология продолжает бурно развиваться. Работы А. А.
Леонтьева, Б. Ф. Ломова, Д. Ю. Панова, В. П. Зинченко и
других ученых направлены на достижение новых
рубежей в этой области, на изучение в
инженерно-психологическом плане творческих аспектов деятельности
человека-оператора. Прежде, несмотря на то, что функции
человека в системе управления перешли на
психологический уровень, его психические операции оставались
сравнительно несложными. Они многократно повторялись и
выполнялись по строгим правилам. В связи с этим
большая 'часть исследований в инженерной психологии была
направлена не столько на изучение самой деятельности
человека-оператора, сколько на разработку оптимальных
условий для этой деятельности, в частности, на
формообразование операторских пультов, расположение и формы
шкал приборов и органов управления, отработку панелей
информации, мнемосхем и т. д.
«В последние годы, — пишет действительный член
АПН СССР А. А. Леонтьев, — это положение начало
меняться. Сейчас в инженерной психологии стали гораздо
больше заниматься творческими процессами. Дело в том,
что успехи автоматизации позволяют все более
перекладывать выполнение процессов, которые могут быть
алгоритмизированы, на технические (в частности,
вычислительные) устройства, сохраняя за человеком главным
образом специально человеческие, т. е. творческие
функции».
В связи с этим главное перспективное направление
современной инженерной психологии связано с
исследованиями того, что по самой своей сути отличает
способности человека от возможностей машины, — а именно с
исследованиями наиболее сложных процессов психической
деятельности человека—оператора в системах управле-
117

ния. Если до сих пор основным моментом создания
системы управления было проектирование ее технической
подсистемы (с учетом общих психических особенностей
оператора), а человек должен был как бы «вписаться»
в нее, то в перспективе отправным моментом станет
оператор и его задачи в системе управления, а машинная
подсистема будет проектироваться как комплекс
«искусственных органов» человека.
Однако практическое решение инженерной
психологией данной перспективной задачи — это будущее новой
науки. Пусть не такое уж отдаленное, пусть
подготавливаемое уже сегодня, но все же будущее. А какие
теоретические и практические задачи инженерная .психология
решает уже сегодня? Что может дать и уже дает
решение этих задач борьбе за надежность функционирования
сложных систем управления? Постараемся ответить на
эти вопросы, охарактеризовав некоторые направления
работы инженерных психологов.
Как уже говорилось, главный предмет инженерной
психологии — человек как подсистема системы
управления. Особенности «человеческого звена» изучаются для
того, чтобы, во-первых, оптимально их использовать и,
во-вторых, максимально учитывать при проектировании
систем управления. В этой связи инженерная психология
исследует следующие проблемы.
I. Производится анализ процессов приема человеком-
оператором сигнально-осведомительной информации о
состоянии управляемого объекта. При этом решается,
какой объем информации человек способен принять в
единицу времени и какова лучшая форма подачи
информации. Естественно, что ответы на эти вопросы зависят
не только от самого человека-оператора, но и от
особенностей конкретной управляемой системы.
П. Изучаются процессы ^переработки информации
человеком-оператором, выработки им на этой основе
соответствующих решений, а также процессы выдачи
оператором командной информации о необходимых изменениях
в реальном технологическом процессе. Здесь для
инженерных психологов особый интерес представляет вопрос
о возможностях и способах декодирования,
перекодирования и кодирования информации.
III. Исследуется надежность человека как части
системы управления при выполнении возложенных на него
118

задач. При этом инженерная психология изучает
индивидуальные особенности людей, а также возможности
человека работать в условиях разного рода помех — шума,
вибрации и прочих отвлекающих воздействий. Среди
факторов, влияющих на надежность и эффективность
действий человека-оператора, исследуются также
уровень освещенности его рабочего места, оптимальные
температурные характеристики трудовой среды, ее
эстетическая отработка и т. д.
Надо сказать, что лри решении проблемы
надежности человека-оператора в системе «человек и машина»
должны непременно учитываться специфические
особенности человеческой психики. Многие инженеры —
конструкторы и технологи — пытаются оценивать надежность
человека в системе управления, исходя из статистико-
вероятностных позиций математической теории
надежности и из вероятностной же природы поведения человека.
При этом надежность определяется как функция
параметров внешней среды и времени, а сам человек
рассматривается как некое подобие «черного ящика».
Внутренние же особенности и свойства человека не учитываются.
Нет необходимости говорить, что 'подобный подход «к
расчету надежности человека-оператора может привести
к серьезным ошибкам.
Больше того, для оценки надежности 'работы
человека как звена автоматизированной системы управления
недостаточно и описания только наличных его свойств.
Действительно, допустим, что удалось точно подсчитать
количество ошибок оператора при выполнении
определенной операции по управлению системой. Значит ли
это, что в любых подобных условиях его действия будут
характеризоваться теми же показателями (пусть даже с
некоторыми отклонениями в определенных пределах)?
Нет, не значит, и вот почему. Человек-оператор может
изменить отношение к задаче, может найти новый прием
ее решения, новый способ действия, что существенно
повлияет на уровень надежности его работы. Особенно
серьезные отклонения от некоторого среднего показателя
надежности своей работы человек-оператор может
проявить в экстремальных ситуациях, критических условиях.
При таких ситуациях одни люди резко повышают
эффективность и надежность работы, а другие, напротив,
снижают. Вот почему при поисках критериев надежности че-
119

ловека-оператора должен быть предусмотрен анализ не
только наличных, но и резервных качеств.
Но и этим сложность исследований инженерных
психологов в данной области не исчерпывается. Во-первых,
потенциальные, резервные качества человека в процессе
жизнедеятельности постоянно меняются. Во-вторых, в
реальных трудовых процессах психические функции
человека проявляются не изолированно, а в сложном
динамическом взаимодействии. В-третьих, большие
трудности представляет собой определение степени
устойчивости тех или иных свойств человека-оператора и сроков
их устойчивости.
Предположение, что человек может работать со
стопроцентной надежностью, совершенно необоснованно.
Статистика показывает, что в ряде сложных систем
управления ненадежность «человеческого звена»
составляет до 50% ненадежности всей системы. Столь же
необоснованно и утверждение, что человек может работать
с постоянной надежностью, ибо она зависит от
огромного количества факторов. В связи с этим расчет некоего
абсолютного коэффициента надежности работы
человека-оператора представляется весьма проблематичным.
Ибо, как указывает академик В. М. Глушков, «нельзя
все многообразие человеческого поведения выразить с
помощью формул». Однако сказанное отнюдь не
означает, что единая система методов определения надежности
работы человека-оператора не может быть создана, и что
на основе этого определения не могут быть разработаны
способы повышения надежности.
Как читатель уже знает, основной критерий
надежности технической системы — безотказность в работе.
Когда речь идет о надежности работы человека в системах
автоматического управления, во главу угла ставится его
работоспособность, т. е. способность работать, причем
работать так, как это необходимо для решения стоящей
перед человеком задачи — с должной точностью,
быстротой и т. д. Но работоспособность человека в процессе
труда с течением времени изменяется. Чтобы правильно
организовать режим работы оператора и уметь
сохранять общую надежность системы «человек и машина» на
необходимом уровне, надо знать, как она меняется. А
для этого необходимо оценивать изменения
психофизиологического состояния человека-оператора. Ведь если
120

мы сможем достаточно точно определить состояние
человека, выявляя те моменты, когда вероятность
совершения им ошибки выше допустимого предела, мы получим
возможность принять меры против снижения
надежности всей системы. Ну, например, как-то повлиять на
человека и вывести его из нежелательного состояния. Или
же, если это слишком трудно, а то и попросту
невозможно, заменить человека-оператора другим, у которого
психофизиологическое состояние в данный момент больше
соответствует выполнению задачи.
Проблема контроля состояния человека-оператора
заключается прежде всего в разработке методов и
специальных средств, которые позволили бы постоянно
наблюдать происходящие изменения психофизиологического
плана. Особенно это важно для тех случаев, когда
человек-оператор, обслуживающий современные системы
автоматического управления, работает в экстремальных
условиях. При этом он часто вынужден оперировать с
потоком информации, достигающим пределов его
возможностей или даже превышающем их. В результате
порождаются особые состояния, которые необходимо
контролировать самым тщательным образом. К таким состояниям
относится, например, состояние психической
напряженности. Бывает и наоборот, когда информации
недостаточно, что вызывает состояние напряженного внимания.
Не меньшего внимания инженерных психологов
требует к себе и другой случай, нередко встречающийся в
практике современного производства. Он заключается в
том, 'что человек-оператор в течение длительного времени
вынужден работать в условиях однообразного
монотонного наблюдения за приборами при редком поступлении
к нему особых информационных сигналов. Оператор,
стремящийся не пропустить важного сигнала,
способного появиться в любой случайный момент времени,
находится в состоянии постоянной бдительности. В
результате у человека снижается уровень и объем внимания,
ухудшаются способности переключения внимания,
возникают явления, близкие к утомлению.
Очень важно также уметь определять состояние
человека-оператора в условиях различных помех, которые
могут затруднить или даже нарушить ход нормального
выполнения задачи. Эти помехи различаются по
длительности воздействия: одни из них постоянны, другие же
121

кратковременны и случайны. Помехи могут
воздействовать на человека избирательно, нарушить какую-либо
одну функцию, а могут дать и общий эффект,
трансформируя многие функции. Кроме того, если одни помехи
способны вызвать лишь кратковременные нарушения
состояния человека-оператора, то последствия
воздействия других, напротив, могут быть достаточно
длительными. Сложность инженерно-психологического решения
вопроса о «помехоустойчивости» оператора заключается
еще и в том, что одни и те же постоянные воздействия
могут произвести совершенно различный эффект в
зависимости ют психофизиологических особенностей человека
и от тех или иных конкретных условий.
Те факторы, влияющие на состояние и,
следовательно, на поведение оператора, о .которых мы только что
говорили,— внешние по отношению к человеку и его
деятельности. Кроме них инженерным психологам
приходится иметь дело и с такими, основа которых лежит в самой
деятельности человека, осуществляющего управление
сложной автоматической системой. «В этой связи, —
пишет член-корреспондент АПН СССР Б. Ф. Ломов в своей
книге «Человек в системах управления», — особый
интерес представляет изучение ситуаций, которые требуют от
человека одновременного выполнения нескольких
действий. Известно, что в этих случаях какое-либо одно
действие может оказаться «тормозом» другого, т. е.
выступить по отношению к нему в качестве помехи. При этом
чем ближе по содержанию параллельно выполняемые
действия, тем больше возможность их езаимонарушаю-
щего влияния».
Таким образом, под контролем состояния человека-
оператора в инженерной психологии понимается задача
контроля за целым комплексом психофизиологических
параметров, которые не только весьма отличны у
разных людей, но могут в широких пределах меняться и для
каждого человека.
Какими же качествами и особенностями должен
обладать контроль за состоянием человека-оператора,
чтобы быть эффективным?
Одно из важнейших требований к контролю
состояния человека в системах автоматизированного
управления — непрерывность. Действительно, он не должен
прерываться в течение всего времени работы оператора, так
122

как изменения состояния последнего — в гом числе и
наступление патологического состояния — могут
произойти в любой момент. В то же время система средств
контроля не должна мешать оператору выполнять его
задачу, так что второе требование к ней — дистанционность.
Контроль состояния оператора — не самоцель. В
частности, он направлен на то, чтобы в случаях
серьезного отклонения состояния человека от нормы во-время
принять необходимые меры по восстановлению уровня
надежности системы «человек и машина». Отсюда
неопровержимо следует, что этот контроль должен быть
исключительно быстродействующим. А достаточно высокого
быстродействия контроля состояния человека-оператора
можно достичь лишь в том случае, если он будет
автомагическим.
Систему для очень быстрого, автоматического,
непрерывного дистанционного контроля за состоянием
человека-оператора во время осуществления возложенных на
него функций можно создать только с использованием
электронных вычислительных машин. Более того,
применение ЭВМ с их способностью «обучаться», накапливать
опыт, с их чрезвычайно емкой памятью позволит
инженерной психологии перейти от фиксирования и
классифицирования состояния оператора к прогнозированию его
состояний в связи с составлением обоснованных
прогнозов вероятных ситуаций.
Одно из возможных состояний оператора, которому
инженерные психологи уделяют немало внимания,
стремясь предупредить его возникновение, — так называемый
стресс, крайняя форма психической напряженности.
Такое отношение психологов вполне понятно: хоть и не
часто наблюдается стресс у оператора, но он весьма опасен
для производства и для здоровья 'человека. Возможность
возникновения стресса у оператора заметно снижает
прогнозируемый уровень надежности системы «человек
и машина».
Что же это такое — стресс? Почему он возникает?
Зафиксирован, например, такой случай. Дежурный
диспетчер одной крупной энергосистемы, опытный,
дисциплинированный, технически грамотный работник,
услышав аварийную сирену, вместо того, чтобы принять
вполне определенные меры (а всего-то и нужно было
повернуть хорошо известный оператору рычажок), покинул
123

свой пост. Его нервной системе оказалось не по силам то
огромное напряжение, которое вызвал неожиданный и
такой громкий, резкий, тревожный после долгих часов
тишины аварийный сигнал.
Умственное и нервное напряжение, сознание своей
ответственности, понимание необходимости в считанные
секунды справиться с аварийной ситуацией может
помочь оператору буквально «сотворить чудо», сделать,
казалось бы, немыслимо много в немыслимо короткий срок.
Но зачастую при неожиданном возникновении аварийной
ситуации, когда оператору нужно решить сложную
задачу, а времени — меньше чем в обрез, и все это в
условиях динамически меняющейся внешней ситуации, с ним
может произойти нервно-эмоциональный срыв — стресс.
И тогда человек либо все делает не так, как надо, лишь
усложняя ситуацию, либо вообще бросает работу.
Стресс подстерегает и оператора рельсопрокатного
стана, совершающего за рабочую смену тысячи
манипуляций с рычагами, педалями и кнопками. И диспетчера
аэропорта во время «часов пик» (а сейчас все
современные аэропорты работают очень напряженно большую
часть суток). И оператора химической установки, когда
при возникновении опасной ситуации часть агрегатов
отключается, а ЦЭВМ не может сама справиться с
решением задачи, так как на подобную или близкую
ситуацию она не была запрограммирована.
Особенно реально возникновение стресса в тех
случаях, когда неожиданные сигналы опасности, требующие
немедленных решений сложных вопросов, обрушиваются
на оператора после длительного периода так
называемого «сенсорного голода» (т. е. нехватки ощущений) и
связанного с ним состояния 'подавленности и
напряженности.
Для удовлетворения «сенсорного голода» эргономика
предлагает сегодня немало средств. Но есть одно
принципиальное направление, которое как бы вообще
снимает эту .проблему. Оно заключается в том, что человек в
автоматизированной системе все реже работает в
одиночестве. Даже в такой новой отрасли техники, как
космонавтика, люди в условиях космических кораблей все
чаще работают в коллективе. Однако в таких случаях
возникают свои специфические проблемы, подлежащие
изучению инженерной психологией. В последней даже
124

намечается тенденция к выделению специальной
отрасли — групповой .психологии.
...Почти полтора года известный полярный
исследователь Нансен и штурман его корабля Иогансен
добирались до земли Франца-Иосифа, так и не достигнув
Северного полюса. Это были полтора года мучительной
неприязни, ничем не объяснимой взаимной ненависти. Они
общались лишь в самых экстраординарных случаях,
обращались друг к другу подчеркнуто официально. Ни о
чем другом не мечтали они столь упоенно, как о времени,
когда, наконец, смогут расстаться...
Правда, можно привести и другие примеры,
говорящие о прямо противоположных ситуациях: успешно
сотрудничали друг с другом экипажи «Кон-Тики» и «Ра»,
возглавляемые Туром Хейердалом; прекрасно работали
и работают коллективы советских дрейфующих станций
«Северный полюс»; не жаловались друг на друга наши
(как, впрочем, и американские) летчики-космонавты,
совершавшие космические полеты в экипаже одного
корабля. И все же проблема психологической совместимости
членов коллектива — отнюдь не надуманная. Особое
значение она приобретает для инженерных психологов, т. е.
для ученых, которые рассматривают человека и
коллектив в качестве человеческой подсистемы более крупной
системы, включающей еще и подсистему техническую,
машинную. Причем одна из главных задач групповой
психологии — создание самоорганизующихся систем
типа «люди и машина», систем, которые могли бы точно и
высоконадежно 1Вьшолнять свои функции.
Именно по инициативе советских психологов в 1964
году был проведен замечательный эксперимент, при
котором имитировался четырехмесячный групповой полет в
космос. В 1967—1968 годах опыт был повторен — в более
сложной форме, и продолжался он на этот раз ровно год.
Экипаж «земного звездолета» в составе Г. Мановцева,
А. Божко, Б. Улыбышева прекрасно справился с
заданием. Помимо других научных работ, испытатели вели
постоянные медицинские исследования друг друга.
Кроме того, они находились под «неусыпным» наблюдением
автоматической системы непрерывного врачебного
контроля. Наконец, за их состоянием внимательно следила
целая служба экспериментаторов, ставивших весь этот
невиданный опыт. Общее мнение: опыт удался. Ученые
125

получили ответы на многие интересующие их вопросы.
(Правда, как это всегда бывает в науке, возникли новые,
не менее сложные, важные и интересные проблемы.) Нам
хочется .прежде всего привести здесь один вопрос и один
ответ.
Один из журналистов, посетивших испытателей в
декабре 1968 г., вскоре после завершения эксперимента,
спросил:
— Трудно 'быть вместе в течение года?
За товарищей ответил Г. Мановцев:
— За время работы не было серьезных конфликтов,
хотя трения, конечно, случались. Но мы успешно с этим
боролись...
Это же утверждают и авторы уникального
эксперимента. Экипаж «земного звездолета» действовал четко,
согласованно и был в этом отношении вполне надежным,
что говорит об удаче ученых в подборе членов
коллектива, определения их психологической совместимости. Уже
имеющийся опыт (изучения коллективов зимовок,
экспедиций, групп специалистов, живущих длительное время
в ,условиях относительной изоляции) показал ученым,
как важен этот тщательный, всесторонний, научно
обоснованный подбор. Ведь возникновение конфликтной
ситуации пагубно действует на состояние людей, снижает
эффективность -совместной деятельности и может даже
привести к невыполнению поставленных перед
коллективом задач.
С Г. Манов'цевым, А. Божко и С. Улыбышевым этого
не случилось. Конечно, не все и не всегда шло гладко.
Авторы эксперимента пишут: «Часто возникали
дискуссии, практически всегда направленные на изыскание
возможностей наилучшего выполнения поставленных
задач. Иногда эти дискуссии проходили на повышенных
тонах с излишней эмоциональностью и резкостью
суждений, но никогда не несли в ,себе черт агрессии». Более
того, продолжают экспериментаторы, «...после каждого»
«сердечного разговора» слаженность действий при
выполнении реальной работы и
экспериментально-психологических проб и заданий заметно повышалась... Группу
подстерегает и другая крайность — успокоение,
благодушие, излишняя подчас уверенность в себе, снижение
эмоционального тонуса. В этом смысле конфликтная
напряженность может оказать «лечебное» действие,
126

Данное наблюдение было одним из многочисленных
подтверждений фундаментального принципа групповой
психологии, так называемого принципа
гомеопатического равновесия. Сущность его заключается в том, что при
всякой групповой деятельности для группы — как и для
любой динамической системы — характерно стремление
к равновесию. В этом один из важнейших залогов
надежности системы «люди и машина». Нужно только
уметь создавать те необходимые условия, при которых
принцип гомеостатического равновесия будет
оптимально проявляться. Разработка же системы требований к
таким условиям — основная задача новой отрасли
науки — групповой инженерной психологии.
До сих пор мы говорили главным образом о
психофизиологическом аспекте надежности работы человека в
системах автоматизированного управления. Но
инженерная психология, как уже было сказано, — комплексная
наука, занимающаяся также технической стороной
проблемы. Она рассматривает надежность
человека-оператора одновременно как функцию его
психофизиологических параметров и как функцию
материально-технической среды, в условиях которой он работает. Вот почему
исследования, направленные на изучение и ликвидацию
технических, конструктивных причин отказов в работе
оператора, — одно из важнейших направлений
инженерной психологии.
На основании собранных инженерными психологами
данных, ученые сформулировали ряд основополагающих
указаний относительно конструкции и формообразования
оборудования операторских пунктов, и прежде Bicero
панелей информации и пультов управления. Выполнение
этих указаний в значительной степени повышает как
надежность работы человека-оператора, так и всей
системы «человек и машина» в целом.
Среди направлений борьбы за высокую
эффективность и надежность работы «человеческого» звена
автоматизированной системы управления и за эффективность
и надежность всей системы одно из важных мест
занимает разработка мероприятий по повышению
оперативности процессов приема и переработки информации
человеком-оператором. Проблема оперативности
приобрела такое значение в связи с постоянным увеличением
быстротечности и сложности технологических процессов,
127

которыми управляет автоматическая система с участием
человека.
В принципе органы чувств и психика человека могут
«пропустить» огромное количество информации. Оно во
много раз превосходит то, которое современные системы
способны предъявить ему через устройства отображения
информации. Действительно, в повседневной жизни
люди свободно ориентируются и оперируют целым океаном
информации, поступающим к ним от окружающего мира
через органы чувств. Так, по подсчетам специалистов,
человек в течение одного дня свыше 100 тысяч раз
меняет направление взгляда, прекрасно справляется с
поступающей зрительной информацией, свободно
ориентируется в привычной обстановке и при этом еще
постоянно знакомится со все новыми и новыми явлениями.
К этому надо добавить слуховую, осязательную,
обонятельную информацию. Но стоит закодировать даже
незначительную часть привычной информации в
непривычную форму, например, предъявить ее человеку на
различных экранах и табло, и он, по образному выражению
известного психолога В. П. Зинченко, «...попадает в
положение, совершенно аналогичное тому, в которое
попадает человек, оказывающийся в чужой стране со слабым
знанием языка».
В связи с этим при разработке информационного
комплекса автоматизированной системы управления
возникают две основные задачи: подача сигналов
информации в оптимальном для данных условий виде и
профессиональный отбор, обучение и тренировка будущих
операторов. Остановимся на первой из них.
В современных системах автоматизированного
управления оператор имеет дело не непосредственно с
реальным процессом, а со своеобразным его отражением, так
называемой информационной моделью. Понятно, что
эта модель должна быть прежде всего адекватна
сложившейся в реальном процессе обстановке, давать о ней
достаточно полные и абсолютно точные сведения. Но
этого мало, информационная модель должна быть также
адекватна задачам оператора и его возможностям, т. е.
удовлетворять требованиям оперативности приема и
переработки информации для оперативной же выработки
необходимого решения и осуществления управляющего
воздействия на ход реального процесса.
128

Таким образом, оператор прежде всего должен на
основе информационной модели реальной действительности
создать ее концептуальную модель, т. е. выработать
собственное представление о состоянии управляемой
системы. Лишь после этого он может принять решение и
осуществить управляющее воздействие. И чем больше
сходство информационной и концептуальной моделей, тем
ближе условия управления к оптимальным. (При полной
идентичности этих моделей .принципиально возможно
исключение человека из системы управления. Иными
словами, проблема структуры и содержание
информационной и концептуальной моделей реального
управляемого процесса совпадает с задачей оптимального
распределения функций между человеком-оператором и
машиной в автоматизированной системе управления.)
На практике информационная модель складывается
в сознании оператора из комплекса сигналов
информации, поступающих к нему от различных приборов. Типы
приборов, формы их шкал, взаимное расположение на
панели — этими вопросами инженерная психология
занялась с самого начала своей истории как науки. В
результате была выработана система положений и
рекомендаций, которая постоянно, с каждым днем
обогащается новыми открытиями, новыми указаниями.
В частности, инженерная психология предложила
таким образом подбирать и ориентировать шкалы
приборов на одной панели информации, чтобы в положении
«нормально» все 'стрелки на них располагались как
стрелки на часах в 9 часов. Опыты показали, что после
этой реформы панели количество ошибок уменьшилось с
17% до 3%. Надежность человеческого звена в системе
управления тем самым значительно повысилась.
Весьма плодотворной оказалась и идея создания так
называемых «нуль-приборо,в», которые показывают
оператору размер отклонения параметра от нормы отходом
стрелки от нулевого положения. Простой пример:
нормальная температура при химической реакции [-200° С,
отклонение —10° в сторону увеличения; прибор
показывает не 210°, как прежде, а отклонение от заданного
«нуля» на одно деление шкалы. «Нуль-приборы»
позволили сократить общее количество аппаратуры,
необходимой для управления объектом, значительно облегчили
работу операторов, сделали ее более надежной.
5 3467 129

В результате экспериментов инженерные психологи
установили также, что показания лучше всего читаются
на горизонтальной линейной шкале. Дело в том, что
ширина зрительного поля много больше его высоты, а
кроме того глазу, очевидно в связи с навыками чтения,
гораздо легче двигаться по горизонтали, чем по вертикали.
Что касается размеров шкал, то ученые рекомендуют
согласовывать их со значимостью приборов. Но при этом
следует помнить, что с увеличением диаметра шкалы
точность отсчета сначала возрастает, а затем снижается;
некоторые специалисты на основании опытов пришли к
выводу, что оптимальный диаметр шкалы — 7,5 см.
Размещая приборы на панели, следует также
исходить из их значимости; это облегчает восприятие
оператором показаний в виде целостной информационной
модели. Центральное место на зрительном поле должно
принадлежать более важным приборам, периферийные
области поля — менее важным. При этом можно
исходить из данных о том, что даже при восприятии шкалы
прибора периферийным зрением под углом 25° возможно
достаточно точное чтение показаний. В целом же полезно
оптимально компактное в пределах разрешающей
способности глаза расположение приборов. В этом случае
любое нарушение в системе образа воспринимается
скорее, чем при разбросанном конгломерате обособленных
элементов. Кроме того, многие специалисты по
инженерной психологии утверждают, что человеку-оператору
лучше работать не перед плоской информационной
панелью, а внутри сферы, вернее части сферы. В частно .ти,
на такой панели приборы могут быть расположены на
одном расстоянии от глаз оператора, вследствие чего
отпадает необходимость каждый раз при взгляде на
панель заново «фокусировать» глаза, и время чтения
показаний приборов сокращается на 15%. Так был сделан
еще один шаг вперед по увеличению оперативности
приема информации человеком-оператором, а значит, и
надежности его работы.
Для подачи оператору наиболее важных сигналов
может быть использован цвет. Аварийные сигналы
следует подавать красным цветом (в международной
системе сигнально-предупредительных цветов этот цвет
принят для обозначения сигнала опасности), сигналы о
возможности возникновения опасной ситуации—желтым,
130

о нормальном ходе процесса — зеленым (последние
сигналы целесообразны в виде ответа на запрос, чтобы они
не светились постоянно и не мешали наблюдению за
прочей аппаратурой).
Панелью информации могут служить также
мнемосхемы. Их задача не только информировать оператора о
ходе процесса, 'но и способствовать нахождению
оптимальных воздействий на процесс в случаях
принципиально допустимого возникновения аварийных ситуаций. На
мнемосхеме рекомендуется обозначать только те
агрегаты и линии, где производятся замеры параметров и где
установлены средства воздействия на развитие процесса.
Это облегчает наблюдение за мнемосхемой и принятие
решений, делает работу оператора более эффективной.
Символы агрегатов на мнемосхеме должны хорошо
различаться и легко запоминаться. Для этого их следует
делать, с одной стороны, достаточно упрощенными,
лаконичными, а с другой—стремиться к сохранению их
сходства с контурами реальных агрегатов. Размеры
символов должны соответствовать либо истинным
масштабам соответствующих устройств, либо их значению в
технологическом процессе.
Параллельно с работами над информационными
панелями, инженерная психология уделяет немало
внимания и пультам управления. При этом исходят из
следующих основных требований. Прежде всего, командные
функции должны совершаться минимальным
количеством операций, траектории рабочих движений следует
максимально сократить. В частности нельзя располагать
последовательно используемые органы на разной
высоте, что вызвало бы необходимость то поднимать, то
опускать руки. При размещении органов управления
надо стремиться к равномерному распределению функций
между левой и правой рукой оператора, но наиболее
ответственные операции, требующие точности и силы,
следует «поручить» правой руке. Сами же рабочие
движения нужно по возможности свести к движениям пальцев,
кисти и предплечья с тем, чтобы плечевой сустав
использовался только в исключительных случаях. Наиболее
важные или часто используемые органы управления
должны быть расположены в оптимальном рабочем
пространстве, ограниченном дугами, которые описывают руки
оператора при их вращении в локтевом суставе. Не сле-
5* 131

дует так размещать органы управления, 'чтобы
возникала необходимость перекрещивать руки при их
одновременной работе.
Рукоятки рычагов управления должны быть
сконструированы в соответствии со строением ладони человека.
Однако многие специалисты рекомендуют наиболее
важные из них делать, напротив, неудобными, чтобы
оператор не смог нажать на них то ошибке. Выбирая
направление движения рукояток и других органов управления,
надо помнить, что движения «на себя» и «от себя» легче
для оператора, чем движения в стороны.
Органы управления могут -размещаться как на одной
панели с индикаторами, так и на разных панелях. В
первом 'случае следует позаботиться, чтобы рука не
закрывала индикатора; для этого орган, управляемый левой
рукой оператора, располагается левее или ниже
соответствующего связанного с ним индикатора, а управляемый
правой рукой — правее или ниже. Во втором случае
расположение взаимосвязанных индикаторов на одной
панели и органов управления на другой должно быть
одинаковым. Это способствует значительному сокращению
числа возможных ошибок.
При проектировании пультов управления необходимо
учесть определенные требования и к их форме. Прежде
всего она должна быть такой, чтобы для каждой
рабочей операции человек мог .выбрать наиболее удобную
позу и трудиться сидя или — реже — стоя, поскольку
смена поз снижает утомляемость и способствует
сохранению работоспособности. Высота сиденья и спинки
стула должна меняться в зависимости от роста дежурного
оператора. Рукам человека необходима опора —
подлокотники или выступающие части стола пульта.
Ряд непременных требований, выполнение которых
безусловно сказывается повышением уровня надежности
и эффективности работы оператора, инженерная
психология предъявляет также и к отработке всего
диспетчерского пункта в целом. Это касается звукоизоляции
помещения, уровня освещенности различных участков,
окраски стен и оборудования в спокойные тона, чистоты
воздуха и т. д. В данной области, также как и при создании
информационных панелей и шультов управления,
инженерные психологи работают в тесном содружестве с
промышленными художниками, со специалистами в области
132

второй составляющей эргономики — технической
эстетики. Прежде чем рассказать о том, что техническая
эстетика дает борьбе за надежность работы, о ее
конкретных рекомендациях, хотелось бы очень кратко
остановиться на истории этой отрасли знания.
Во времена великого реформатора Петра I жил в
России изобретатель и конструктор А. К. Нартов. В
результате непрестанного самообразования и труда этот
человек прошел путь от токарного подмастерья в
Московской навигационной школе до одного из руководителей
Академии наук и опытных мастерских при ней. Есть все
основания считать, что А. К. Нартов первым в мире
задумался о необходимости придания техническим
изделиям красоты. Об этом свидетельствует как
сконструированный им станок — предок современных копировальных
автоматов, так и его проект создания Академии разных
художеств, научно-художественного учреждения, через
которое искусство должно было осуществлять
благотворное влияние на технику.
Проект этот, к сожалению, не был осуществлен. Лишь
столетие спустя, в 1825 году, Г. С. Строганов открывает
в России Школу рисования в отношении к искусству и
ремеслам. В 1860 году эта школа была преобразована в
государственное Строгановское училище промышленных
художеств. Позднее в этом училище преподавали такие
художники, как М. Врубель и К. Коровин, архитектор
А. Щусев, скульптор П. Андреев и другие.
Однако все это предыстория технической эстетики. Ее
основы как науки были заложены уже в XX веке.
Признанным ее мировым центром в то время была
германская школа Баухауз, которой руководили прогрессивные
деятели — В. Гропиус и позднее коммунист Г. Майер.
Возникновение Баухауза безусловно связано с
революционными событиями в Германии 1918—1919 годов, с
деятельностью и идеями таких прогрессивных
организаций, как «Рабочий совет искусств». Реакционная пресса
постоянно травила руководителей Баухауза, призывая
покончить с этим «кунстбольшевизмом» и переселить
школу «туда, где единственно находится начало и
сущность этого искусства, —в Москву».
В нашей стране действительно промышленному
искусству, как тогда называли техническую эстетику,
уделялось очень много внимания. Уже в 1920 году было
133

разработано «Положение об учреждении художественно-
промышленной комиссии» и созвана I Всероссийская
конференция учащихся и преподавателей
художественных и художественно-промышленных мастерских. Это и
не удивительно: строители нового мира хотели строить
его во всех отношениях по законам красоты.
В том же 1920 году В. И. Ленин подписал декрет о
создании Высших художественно-технических
мастерских (ВХУТЕМАС), которые в 1926 году были
преобразованы в Высший художественно-технический институт
(ВХУТЕИН).
Это был 'период расцвета деятельности первых
советских энтузиастов технической эстетики, таких, как
А. Родченко, В. Татлин, Л. Лисицкий и другие. В 1930
году на базе закрытого тогда ВХУТЕИНА были
организованы Архитектурный и Полиграфический институты и
художественный факультет Текстильного института.
Однако уже в 1944 году в связи с возросшими
потребностями народного хозяйства, приступавшего к
восстановлению разрушенных войной предприятий, было вновь
воссоздано Московское высшее
художественно-промышленное училище (бывшее Строгановское).
В конце 50-х — начале 60-х годов и особенно после
создания в 1962 году Всесоюзного института технической
эстетики (ВНИИТЭ) начался новый этап в истории
советской технической эстетики. Уже за первые пять лет
существования этой головной организации
промышленной эстетики в нашей стране (сейчас ВНИИТЭ
руководит работой большого количества специальных
художественно-конструкторских бюро и ряда своих филиалов —
в Тбилиси, Ереване, Киеве) советские специалисты
преодолели имевшее прежде место отставания от
дизайнеров— т. е. художников-конструкторов Запада, где
техническая эстетика начала развиваться на 15 лет раньше. А
во многих областях технической эстетики советские
ученые уже вырвались далеко вперед. Столь быстрое
развитие объясняется прежде всего тем, что
художники-конструкторы социалистических стран призваны решать
проблемы, недоступные для их коллег, работающих в
условиях капитализма, тогда как последние заняты
вопросами, которые потеряли всякое значение в условиях
социализма (в частности, например, вопросами, связанными
с наличием капиталистической конкуренции).
134

Прогрессивные художники-конструкторы Запада
тоже стремятся, по словам известного американского
дизайнера А. Пулоса, быть «гуманной совестью
промышленности» и «прежде всего думать о человеке». Но в
условиях буржуазного строя это чрезвычайно трудно, если
не невозможно. Именно поэтому многие из них, не желая
признаваться в своей зависимости от антигуманных
законов капиталистического общества, говорят о том, что
дизайнер, как и всякий художник, должен творить для
себя и только для себя.
Разумеется, в социалистическом и западном дизайне
есть немало общего, особенно в плане конкретных
технико-экономических сторон
художественно-конструкторских разработок. На этом основано' наше мнение о
необходимости использовать в советской практике полезный
опыт дизайнеров западных стран. Но есть и
принципиальные отличия. Ибо главная задача социалистической
технической эстетики — участие в воспитании строителя
и гражданина коммунистического общества в каждом
советском человеке и социалистическая гуманизация
всей производственной сферы.
В связи «с этим перед технической эстетикой в
социалистических странах ставится грандиозная общая цель:
добиться такого преобразования всей
материально-предметной среды, окружающей человека, чтобы она
максимально соответствовала новым общественным
отношениям и способствовала тенденциям дальнейшего развития
этих отношений. Это связано со всеобщим, или, как
говорят художники-конструкторы, тотальным,
проектированием материальной среды. Такая перспектива — пока
только идея, но идея, не вызывающая у наших ученых
никакого сомнения.
А пока на пути к решению этой большой, общей
задачи техническая эстетика отвечает на многие вопросы
конструкторов и проектировщиков, участвуя в создании
не только рациональных и научно-обоснованных, но и
эстетически совершенных разработок промышленного
оборудования и производственной среды в целом.
Рассмотрим рекомендации технической эстетики на примере
диспетчерского пункта, о котором мы говорили в связи
с рассказом об инженерной психологии.
Первое, основополагающее требование технической
эстетики и отработка операторского пункта, как, впро-
135

чем и любого производственного помещения, — стилевое
единство интерьера. Добиться его без специалиста,
имеющего художественную подготовку, невозможно. Вот
почему художник-конструктор должен участвовать в
проектировании оборудования и интерьера операторского
пункта с самого начала работы над объектом.
Одно из очень действенных средств, используемых
промышленными художниками,— цвет. Стены пункта
следует окрашивать в спокойные, светлые тона, которые
позволили бы добиться оптимальной освещенности
помещения. Кстати, при распределении световых потоков в
нем следует помнить, что наряду с другими приборами
в качестве информационных элементов могут
использоваться экраны телевизоров, а также различные
светящиеся индикаторы. Понятно, что на них свет падать не
должен, иначе изображение будет плохо различаться.
Если же свет все же будет на них падать, телеэкраны
нужно затенить специальными козырьками.
Выбор цветов для колористической отработки стен
должен базироваться на данных об их воздействии на
нервную систему человека. Установлено, например, что
для глаз и нервной системы очень полезен зеленый цвет
(это, очевидно, связано с тем, что люди в течение
многих тысячелетий жили ib окружении зеленой
растительности). Потолок должен быть традиционного белого
цвета, что улучшает освещенность помещения, делает его
зрительно более высоким, просторным. Для пола
наилучшим образом подходит мягкий светло-коричневый
оттенок.
Многие специалисты по инженерной психологии и
технической эстетике рекомендуют для диспетчерского
пункта помещения без окон, особенно если они должны
выходить на заводской двор с его постоянным
отвлекающим внимание движением и шумом. Однако у
человека, долго находящегося в таком помещении, может
возникнуть подавляющее ощущение изолированности.
Чтобы этого не случилось, промышленные художники
предлагают ставить на фоне полупрозрачной стены из стекло-
бетона большие аквариумы с декоративными рыбками
и растениями. Хороший эффект дает также размещение
на стенах пункта, не занятых аппаратурой, больших,
фотографий пейзажей — зимнего леса с утонувшими в
снегу елями, распахнутой навстречу солнцу летней степи,
136

водной глади озера или моря на заре и т. д. Но следует
избегать фотоизображений природы в критические, если
так можно выразиться, моменты: бури, грозного
морского лрибоя и т. д. Такие фотографии могут отвлекать
внимание, будоражить нерв'ную систему. Фотографии
следует время от времени менять, иначе они становятся
слишком привычными и вообще перестают замечаться. Кроме
того, при их выборе следует учитывать вкусы
работающих в данном помещении операторов.
Требование определенного эстетического уровня
отработки предъявляется и к оборудованию. Основной его
цвет должен гармонировать с окраской стен; формы —
должны быть лаконичны и современны. Требование
оптимального уровня информационности к панелям и
пульту не должно вступать в противоречие с законами
эстетики. Комплекс индикаторов на 'панели информации
должен быть не только рациональным по своей
организации, но и гармонически стройным, уравновешенным.
Это, кстати, в свою очередь способствует повышению
информационных качеств ланели. Неизбежное при
включении аварийной сигнализации нарушение такого
равновесия сразу же привлекает внимание оператора и дает
ему дополнительную информацию, т. е. повышает
надежность и эффективность работы «человеческого звена»
в системе автоматизированного управления.
Выше уже шла речь о том, что при проектировании
операторского пункта необходимо позаботиться о
хорошей его изоляции от внешнего шума. Однако известно,
что постоянная тишина может угнетающе действовать на
психику человека. Больше того, оператор в таком
состоянии мюжет растеряться, когда внезапные зрительный и
звуковой сигналы сообщат о наступлении аварийной
ситуации в управляемой технологической системе. Вот
почему инженерная психология и техническая эстетика
предлагают использовать музыкальную трансляцию в
диспетчерских пунктах. Однако это предложение
оговаривается комплексом непременных условий.
Прежде всего, необходимо тщательно отобрать
музыкальные произведения на основе глубокого изучения
личных вкусов операторов, дежурящих в данном
помещении, их индивидуального динамического стереотипа,
сложившегося из прошлых музыкальных впечатлений и
особенностей натуры. Следует помнить, что музыка дол-
13 7

Ж'на способствовать поднятию работоспособности,
хорошему, бодрому настроению, так что следует
использовать произведения мажорные, оптимистичные. Уровень
громкости не должен превышать, естественно, того
максимума, за которым музыка начинает отвлекать
человека от работы. А поскольку способность сосредоточиться
меняется в течение рабочей смены в связи с нарастанием
нервного утомления, соответственно ей надо менять и
уровень громкости. Кроме того, следует предусмотреть
возможность уменьшения или увеличения силы звучания
и даже прекращение передачи самим оператором. Из
списка музыкальных произведений, предназначенных
для трансляции, надо безусловно исключать песни,
оперные арии, кантаты и т. п., так как их текст способен
значительно сильнее отвлекать внимание, чем музыка. При
возникновении аварийной ситуации музыкальная
трансляция должна автоматически прекращаться.
Действие музыкальных произведений на человека —
явление очень сложное. Музыка может не только
вызывать ощущение радости или сложные зрительные
образы, заставлять человека улыбаться или навевать на него
грусть и задумчивость. Она способна оказать на
организм человека глубокое и могучее психофизиологическое
воздействие. В анналах истории храняться сведения о
том, что древнегреческий полководец Александр
Македонский от громкой, четко ритмической музыки впадал в
исступление, что «отец медицины» Гиппократ
рекомендовал различные типы музыкальных произведений для
лечения склонности к странным сновидениям, для
избавления от чувств зависти и тоски. Греческие врачи даже
делили все музыкальные мелодии на четыре лада:
фригийский, возбуждающий отвагу; лидийский, вызывающий
тоску и подавленность; эолийский, способствующий
возникновению чув'ства глубокой удовлетворенности и
приятного блаженства; дорийский, от которого в душе
слушателя растет чувство торжественной широты. В
соответствии с такой классификацией музыкой (в основном—
пением) лечили различные болезни. Существует
свидетельство, что в Эпидаврском храме, центре античной
медицины, «чарующее пение» использовали для лечения
«слабости духа». Древнегреческий математик Пифагор в
одном из своих трудов прямо указывает, что «музыка
может врачевать безумства людей».
138

Ученые установили, что тайна магического действия
музыки заключается как в ее ритмике и мелодичности
(эмоционально-психическое воздействие), так и в
частоте и направленности звуковых волн
(психофизиологическое воздействие). Размеренная речь, как доказал
русский врач и естествоиспытатель А. С. Догель, может
учащать или замедлять сердцебиение, регулировать
частоту пульса. А. С. Догелю удалось также подметить,
что особенно результативными «заговоры» были, как
правило, в тех случаях, когда знахари «принимали»
больного на природе — в лесу, близ реки и т. д.
Дальнейшая экспериментальная проверка показала, что
естественные шумы определенного рода и без заговоров
благотворно действуют на организм больного.
Современной медицине известно, что шелест листвы,
пение птиц, журчание ручья, рокот моря оздоровляюще
влияют на нервную систему, на железы внутренней
секреции. Шум леса также снимает переутомление, а шум
водопада усиливает работу мышц.
Таким образом, и музыка, и природные шумы могут
использоваться для восстановления трудоспособности,
для улучшения 'настроения, даже для лечения больных.
Правда, в (Современной медицине применение музыки с
этой целью еще не достигло должного размаха.
Народная медицина в данной области намного опытнее. И
когда ученые-медики начинают использовать народную
мудрость (тщательно проверив факты и найдя им подлинно
научное объяснение), они добиваются поистине
разительных успехов.
Подобно тому, как музыка, по мнению специалистов,
должна заполнить тишину в диспетчерском пункте,
чистый воздух -в помещении следует снабдить какими-то
запахами. В начале главы мы говорили о том, что у
многих людей существуют устойчивые «ароматические
ассоциации». По образному выражению писателя И.
Варшавского, запахи бывают грустными и веселыми, потому
что «...каждый запах вызывает у нас какие-то
воспоминания, грустные или веселые». Поэтому необходимо
тщательно изучить такие ассоциации у всего персонала,
обслуживающего автоматическую систему управления.
Но помимо индивидуальных пристрастий и
антипатий к тем 'или иным запахам, у большинства людей есть
и общие для всех положительные реакции на природные
139

запахи, выработанные, как считает наука, коллективным
опытом человечества. Таковы запахи молодой травы,
свежего сена, тающего снега, полевых цветов, моря,
речной свежести, хвойного леса — всего не перечтешь.
Ольфактроника — наука о запахе — сделала в последние
годы очень большие успехи. И хотя еще нет
общепризнанной теории образования, передачи на расстояние и
«приема» запаха соответствующими органами чувств,
ученые уже научились синтезировать вещества с заранее
заданным запахом. Так что есть все основания
утверждать, что насыщение запахами воздуха <в
производственных помещениях — дело недалекого будущего.
Осуществляя различные мероприятия по эстетизации
производственной среды, благоприятно сказывающиеся
на производительности и надежности работы систем с
участием человека, промышленные художники должны
постоянно учитывать требования, с одной стороны,
технических, а с другой, естественных наук. Однако наука
и техника не только накладывают ряд ограничений на
деятельность дизайнеров, но и во многом помогают им.
Немало полезного специалисты по технической эстетике
могут почерпнуть, например, из бионики — науки о
применении биологических эталонов при решении
технических задач. Так, изучая природные объекты в
бионическом аспекте, дизайнер получает интереснейший
материал о взаимосвязи формы и сущности биологической
системы, а также о зависимости эстетического совершенства
формы, фактуры и окраски поверхности от их
целесообразности в конкретных условиях.
Хорошим помощником художников-конструкторов
стали приемы соматографии, призванные отображать
тело человека с применением правил и норм технического
черчения.
Соматографический метод, который может быть
освоен любым инженером, позволяет на одном чертеже
совмещать изображение человека сразу в двух положениях
с выполненным здесь же изображением машины;
сравнивая фигуру человека и машину на чертеже, можно
легко составить представление о размерах последней.
Сейчас без применения методов соматографии не
обходится практически проектирование и художественное
конструирование рабочих мест операторов, космонавтов,
пилотов, машинистов и т. д.
140

Замечательным даром техники 'проектировщикам и
художникам-конструкторам явилась разработка систем и
приемов, позволяющих им использовать в своей
творческой деятельности достижения радиоэлектроники, в том
числе электронные вычислительные машины. Особенно
перспективны в этом смысле ЭВМ, оснащенные
устройством так называемой графической связи между
человеком и машиной. С помощью похожего на авторучку
'приспособления, от которого к ЭВМ идет гибкий провод,
конструктор может делать на электронно-лучевой трубке
различные чертежи. Изображение, нажимая на
определенные клавиши, можно перемещать, увеличивать,
уменьшать и даже поворачивать. По соответствующим
командам обученная машина, память которой хранит
необходимые сведения, способна, исходя из сделанного
человеком изображения объекта спереди, выдать на экран
его изображение сзади, сбоку, сверху и снизу.
Отработанный элемент системы машина сохраняет в
запоминающем устройстве, и конструктор в любой момент может
приказать выдать его на экран. При изменениях в
проекте одного элемента системы, машина автоматически
трансформирует все другие элементы, чтобы сохранить
соответствие между ними.
Многие из рекомендаций инженерной /психологии и
технической эстетики о работе человека-оператора и
формировании диспетчерского пункта имеют прямое
отношение и к отработке прочих производственных
помещений, например цехов различных промышленных
предприятий. Есть, конечно, и специфические указания.
Останавливаться на них из-за недостатка места мы здесь не
будем. Хочется только еще раз подчеркнуть: дальшейшее
развитие эргономики и применение ее открытий в
промышленности, на транспорте, в научных
исследованиях — одним словом, везде, где человек работает с
техническими системами, — повышает производительность и
надежность работы человека и, вследствие этого,
производительность и надежность всей системы «человек и
машина».

ЧАСОВЫЕ НАДЕЖНОСТИ
Всегда на посту. Служба надежности. НОТ и
надежность
Немного фантазии, и мы без труда сможем
представить себе такой диалог:
— Стой, кто идет?
— Я, новый токарный станок. Направляюсь к
заказчику для отбывания службы.
— Испытания >прошел?
142

— Разумеется. По данным отдела технического
контроля, мощность, скорость резания, точность и другие
параметры — в норме.
— А надежность?
— Известно ли, как твои качества сохранятся через
год работы? И сколько раз возникнут отказы за срок
службы? И удобно ли тебя ремонтировать?
— Нет, об этом сведений не имеется.
— Тогда попрошу задержаться. Без проверки уровня
надежности из ворот завода выпустить тебя не могу...
Во вступительной главе этой книги говорилось о том,
что проблемой надежности промышленного изделия в
современных условиях должны заниматься все, кто
связан с его созданием и эксплуатацией. И все же в
проектных организациях и на промышленных предприятиях
сейчас нельзя обойтись без специалистов, для которых
главное — надежность изделия. Вот почему за
последние десять лет во многих конструкторских бюро и
проектных институтах, на фабриках и заводах были
созданы группы специалистов по надежности. Такая группа —
это может быть отдел, бюро или лаборатория — носит
название службы надежности.
Борьба за высокую надежность — не отдельный вид
работы, самостоятельный и в то же время служащий
дополнением к другим процессам при проектировании,
производстве и эксплуатации технической системы. Это
задача, решение которой как полноправная составная
часть включается во все указанные виды работ.
Высокие показатели надежности могут быть достигнуты
только в результате скоординированных совместных усилий
специалистов различных служб на всех этапах создания
и эксплуатации промышленного изделия. Такая
координация и научно-методическое руководство
деятельностью всех подразделений в данной области — главная
задача служб надежности. Наличие на предприятии
службы надежности отнюдь не снимает с конструкторов
и технологов ответственности за обеспечение требуемого
уровня надежности изделия. В связи с этим вторая
важная функция службы надежности — контроль за тем, как
все остальные работники предприятия выполняют свои
обязанности в общей борьбе за надежность продукции.
Однако следует помнить, что в-понятие «контроль» вхо-
143

дит и анализ фактического уровня надежности
выпускаемых изделий, и изучение причин возникших отказов. А
на основе такого анализа служба надежности призвана
разрабатывать — опять-таки не без участия
конструкторов 'И технологов — необходимые меры 'по дальнейшему
повышению уровня надежности. Это третья основная
задача, 'стоящая перед «часовыми надежности».
У читателя может возникнуть вопрос: а не будет ли
служба надежности дублировать в своей деятельности
другие подразделения? Действительно, как уже можно
было убедиться, борьба за надежность технического
изделия начинается на самом раннем этапе его создания —
при составлении технического задания и продолжается
«до конца его дней». В этой борьбе участвуют
конструкторы, технологи и, конечно, представители отделов
технического контроля. Возможность дублирования
службой надежности функций ОТК кажется на первый взгляд
особенно реальной. Именно этот предполагаемый факт
используют в качестве довода те руководители
предприятий и организаций, которые выступают против создания
в своей «епархии» специальной службы надежности.
(Заметим вскользь, что такие, к сожалению, еще есть,
хотя их становится все меньше.) Думается, что будет
уместным высказать здесь несколько принципиальных
возражений против этого безусловно неверного мнения.
Как явствует из трех перечисленных выше основных
задач службы надежности, она принимает участие во
всех мероприятиях, направленных на достижение
высоких показателей надежности, на всех этапах жизни
изделия. Работники служб надежности деятельно
участвуют и в составлении технического задания на
проектирование нового образца, и в создании рабочего проекта, и
в испытаниях опытных образцов, и в серийном
производстве изделий, и в поддерживании правильных режимов
эксплуатации. У ОТК функции более узкие, строго
ограниченные, их задача — контроль качества продукции,
разбраковка готовых изделий на годные (т. е.
соответствующие стандартам и техническим условиям) и
негодные. Работники ОТК не занимаются — и не должны
заниматься— фундаментальным анализом причин
отклонения от технических условий и разработкой
мероприятий по их устранению. Для службы же надежности, как
уже говорилось, — это одна из основных задач.
144

Далее если мы возьмем одну из самых сходных с
деятельностью ОТК функций службы надежности —
контроль и сравним ее с контролем качества изделий,
производимым отделами технического контроля, то и в этой
области мы увидим принципиальные различия. Для
того чтобы проконтролировать большинство свойств
качества изделия (точность, скорость, мощность станка,
герметичность какого-либо вакуумного аппарата, стойкость
системы к ударам или вибрации и т. д.), достаточно
мгновенной или кратковременной проверки параметров.
В свою очередь надежность, как известно,— это
показатель того, как изделие сохраняет другие свои качества с
течением времени, в процессе эксплуатации. Отсюда
ясно, что для контроля надежности, скажем,
технологического агрегата нужно наблюдать его работу в течение
длительного времени. При этом необходимо выяснить и
сколько времени этот агрегат вообще сможет
функционировать, и сколько за данный срок произойдет отказов,
и насколько легко и удобно будет устранять отказы.
После проверки такого рода может оказаться, например, что
два станка одного типа, выпущенные разными заводами
и имеющие, согласно данным ОТК, одинаковые
показатели основных свойств качества, весьма существенно
отличаются друг от друга. Один из них нужно чинить,
допустим, шесть раз за срок службы и затрачивать в
среднем по десять часов на каждый ремонт. А второй за тот
же период потребует лишь трех ремонтов, причем
благодаря более высокой его ремонтопригодности бригада
ремонтников справится с делом за семь часов в каждом
случае отказа.
Наконец, есть "и еще одно важное отличие службы
надежности от отдела технического контроля. Как хорошо
известно каждому производственнику, ОТК выявляют в
основном отклонения ют заданного уровня качеств,
связанные с субъективными факторами. Это прежде всего
ошибки отдельных исполнителей, вызывающие
неточности в чертеже, нарушения в технологии, отклонения от
предусмотренных режимов эксплуатации. Деятельность
же служб надежности направлена на выявление,
главным образом, объективных причин недостаточно
высокого уровня надежности. Именно по поводу этих
объективных факторов службы надежности обязаны в первую
очередь разрабатывать рекомендации, направленные на
145

повышение показателей надежности промышленных
изделий. Впрочем, сказанное отнюдь не означает, что
субъективными причинами снижения уровня надежности
службы надежности вовсе не занимаются. Но все же это
не основная сфера их интереса.
Итак, служба надежности коренным образом
отлична от ОТК и имеет свои, особые задачи, которыми ОТК
никогда не занимался и не занимается. Но ведь
организация служб надежности началась сравнительно
недавно. Кто же раньше осуществлял контроль надежности?
«Ответить на этот вопрос очень просто,— писал
председатель общественного комитета ВСНТО по надежности
и контролю качества Я. М. Сорин, — серьезного
контроля надежности раньше просто не было». Далее гот же
автор отмечает: «Отсутствие должного контроля
надежности было одной из основных причин того, что
некоторые наши машины, аппараты, приборы, превосходя
аналогичные образцы -заграничных фирм по мощности,
точности, производительности и другим характеристикам,
уступали им по надежности...»
Сейчас с таким положением покончено. В лучших
отечественных проектных институтах и конструкторских
бюро, на наших передовых заводах и фабриках ( к
сожалению, мы еще не можем сказать: на всех) созданы и
успешно действуют службы надежности. В чем же
конкретно выражается их участие в создании отвечающих
современным стандартам, высококачественных и надежных
технических изделий?
1. При составлении, обсуждении и утверждении
технического задания на проектирование нового изделия
служба надежности должна определить возможности
выполнения требований по надежности и согласовать
нормы надежности.
2. На этапе составления эскизного проекта служба
надежности производит ориентировочный расчет
надежности изделия.
3. Следующий этап — создание технического проекта.
В этот период служба надежности занята
предварительным расчетом надежности будущего изделия и выбором
оптимального (с точки зрения надежности) варианта
схемы. Одновременно проводятся испытания на
надежность наиболее ответственных узлов и блоков, вернее их
макетов.
146

4. При выполнении рабочего проекта служба
надежности должна составить технические условия по
надежности изделия в целом и отдельных его блоков;
произвести уточненный расчет надежности; 'провести испытания
на надежность типовых блоков.
5. Далее следует изготовление и исследование
опытных образцов. На этом этапе представители службы
надежности проводят контроль технологического процесса,
а также составляют программу испытания изделия на
надежность.
6. Опытные образцы созданы, начались их
всесторонние испытания. Проводятся и испытания на надежность.
При этом служба надежности призвана окончательно
определить количественные показатели надежности
изделия. По окончании испытаний уточненные нормы
надежности вносятся в технические условия.
7. На стадиях корректировки технической
документации, подготовки к серийному производству и при
выпуске установочной партии службы надежности зорко
контролируют, как выполняются рекомендации по
надежности.
8. Серийное производство -ставит перед службами
надежности новую задачу. На этом этапе периодически
проводятся испытания на надежность и
разрабатываются мероприятия по повышению уровня надежности
серийной продукции.
9. Наконец, при эксплуатации изделия служба
надежности собирает информацию об отказах
оборудования, его ремонтнопригодности. Разрабатываются
оптимальные € точки зрения надежности режимы
эксплуатации. Продолжается выработка рекомендаций по
улучшению показателей надежности серийной продукции.
Затем, если можно так выразиться, срабатывает закон
обратной связи: эти рекомендации учитываются при
составлении технических заданий на новые,
усовершенствованные образцы изделий.
Следует отметить, что приведенное выше разделение
работы служб надежности на этапы весьма условное.
Как и само создание технического изделия, борьба за
надежность — процесс единый и непрерывный. Однако у
служб надежности научно-исследовательских и проектно-
конструкторских организаций есть своя специфика, от-
147

личная от специфики служб надежности
производственных 'предприятий. Это касается и функций и, как
следствие, построения соответствующих подразделений
организаций того и другого типа. К сожалению, подробное
рассмотрение упомянутых вопросов вывело бы нас
далеко за рамки этой книги. Ну, а тем читателям, кто
захочет получить более подробные сведения по данному
вопросу .и, быть может, 'применить их затем в своей
практической деятельности, мы порекомендуем обратиться к
специальной литературе. В частности, настоятельно
советуем прочитать брошюру специалиста то вопросам
теории и практики надежности Я. М. Сорина. Она так и
называется — «Служба надежности» «и выпущена
издательством «Знание» в 1966 году.
Организация и правильное, соответствующее
специфике предприятия построение службы надежности —
часть более обширной и общей проблемы, которая
носит название научной организации труда. Это
плодотворнейшее направление комплексных научных, технических,
экономических разработок имеет огромное значение для
развития современного промышленного производства.
Оно благотворно сказывается и на повышении
производительности труда, и на росте экономической
эффективности предприятий и организаций, и на качестве
производимой продукции, и на здоровье работников.
Что же такое НОТ, какой организации труда в
современных условиях можно присвоить высокое звание
научной?
Ответ на этот вопрос дало Всесоюзное совещание по
организации труда, созванное в Москве в июне 1967
года. В рекомендациях совещания говорится: «...В
современных условиях научной надо считать такую
организацию труда, которая основывается на достижениях науки
и передовом опыте, систематически внедряемых в
производство, позволяет наилучшим образом соединить
технику и людей в едином производственном процессе,
обеспечивает наиболее эффективное использование
материальных и трудовых ресурсов, непрерывное повышение
производительности труда, способствует сохранению
здоровья человека, постепенному превращению труда в
первую жизненную потребность».
Однако в этом определении НОТ нет ни слова о ее
влиянии на качество и надежность изделий. И хотя мож-
148

но с достаточным основанием считать, что эти понятия
«спрятаны» в таких тезисах, как «использование
достижений науки и 'передового опыта», «наилучшее
соединение техники и людей в производственном процессе»,
«наиболее эффективное использование ресурсов», все же
о влиянии НОТ на качество и надежность продукции в
приведенном выше определении, по нашему мнению,
могло быть сказано более четко.
Связь между понятиями «НОТ» и «надежность
производимой продукции» совершенно бесспорна. Особенно
очевидной она становится при ознакомлении с
основными направлениями НОТ. Эти направления таковы:
1) разработка рациональных форм разделения и
кооперирования труда;
2) улучшение организации рабочих мест и их
обслуживания;
3) изучение и повсеместное внедрение передовых
методов труда;
4) подготовка и постоянное повышение квалификации
кадров;
5) улучшение и расширение сферы нормирования
труда;
6) улучшение условий труда;
7) воспитание у трудящихся сознательного отношения
к своему делу и строгого соблюдения государственной и
трудовой дисциплины.
Ясно, что все эти мероприятия в той или иной степени
направлены на улучшение качества изделий
промышленности, на повышение уровня их надежности.
Проблема НОТ — не новая в нашей стране.
Серьезная и многогранная ра1бота в этой области ведется,
собственно, с первых лет развития советской экономики.
«Учиться работать — эту задачу Советская власть
должна поставить перед народом во всем ее объеме»—писал
В. И. Ленин. И она была поставлена — поставлена
В. И. Лениным, Коммунистической партией.
Уже б 20-х годах проблемами научной организации
труда в Советской России занималось 58 научных
учреждений. Головной организацией был Центральный
институт труда (ЦИТ), созданный в 1920 году. Кроме того,
В. И. Ленин рассмотрел и одобрил программу работы
ЦИТа, нашел время для беседы с его директором
А. К. Гастевым, предложил Народному комиссариату
149

финансов выделить 500 тысяч рублей золотом на
покупку за рубежом необходимого оборудования и других
материалов для Института труда.
Постепенно ЦИТ и прочие учреждения, занятые
совершенствованием организации труда, обзаводились
научными лабораториями, охватывали в своей
деятельности все больше и больше промышленных предприятий.
И хотя были б их работе и неудачи, и ошибки, в делом
они сделали очень много для строительства
социалистической экономики. Этому, безусловно, способствовало
создание государственного Совета научной организации
труда, производства и управления (СОВНОТ), во главе
с видным деятелем Коммунистической партии и
Советского государства В. В. Куйбышевым. СОВНОТ
планировал и координировал деятельность всех учреждений
по НОТ, всю ведущуюся в стране пропаганду научной
организации труда.
Большую работу по рационализации
производственного и управленческого труда в тяжелой
промышленности проводил Оргаметалл. В текстильной
промышленности эти проблемы разрабатывал Оргтекстиль.
Вопросами научной организации труда занимались С. М. Киров,
Г. К. Орджоникидзе, М. И. Калинин и другие крупные
деятели партии и Советского государства. Однако без
вовлечения широких масс в движение за НОТ больших
успехов добиться не удалось бы. Вот почему во многих
экономических районах страны это движение возглавили
партийные организации. Много внимания проблемам
НОТ уделяли профсоюзы. Были созданы и специальные
общественные организации, например Лига «Время —
НОТ».
Думается что сказанного вполне достаточно для того,
чтобы понять: борьба за НОТ была поставлена на
повестку дня уже в первые годы советской власти. Не
прекращается эта борьба и сейчас. В решениях XXIII
съезда КПСС прямо указывалось: «...В качестве одной из
первоочередных народнохозяйственных задач
выдвигается вопрос о внедрении на 'всех наших предприятиях
научной организации производства и труда...». В наше
время, в эпоху развернутого строительства
материально-технических основ коммунизма, в период новой
научно-технической революции, движение за НОТ приобрело
новые черты, хотя, разумеется, оно основывается на том
150

принципиальном фундаменте, который был заложен
В. И. Лениным.
Каковы же основные направления теоретических и
практических разработок в -области научной организации
труда на современном этапе? Мы здесь назовем и
кратко поясним лишь некоторые из них, наиболее важные и
плодотворные. Однако говоря об отдельных
направлениях НОТ, следует помнить, что нибольшего эффекта
можно достигнуть лишь при комплексном развитии всей
проблемы научной организации труда в целом.
Прежде всего следует назвать разработку и
повсеместное внедрение рациональных форм разделения и
кооперирования производственных операций. Это
замечательное средство повышения производительности труда
и качества продукции, улучшения показателей работы
оборудования, его надежности. Для пояснения приведем
простой пример. В самых различных отраслях
промышленного производства, строительства, на
горнодобывающих работах и транспорте сейчас созданы и успешно
трудятся комплексные бригады. Такая бригада, занятая,
скажем, 'бурением нефтяных скважин, часто состоит из
эксплуатационников-бурильщиков и ремонтников.
Каждая группа специализируется в своем деле. А в
результате — увеличение скорости проходки скважин и
безотказная работа бурильного оборудования, рост
производительности труда, значительная экономия времени и
государственных средств.
Другая центральная проблема в современной НОТ —
совершенствование рабочих мест, их организации,
оснащения и обслуживания. Значение данной проблемы
трудно переоценить. Ведь совершенствование рабочего места
означает сокращение объема трудоемких
вспомогательных и ручных операций, ускорение механизации и
автоматизации трудовых процессов, снижение потерь
рабочего времени, сохранение в течение всей смены высокой
трудоспособности рабочего. Следствием же этого
неизбежно явится повышение эффективности труда и
качества промышленных изделий.
Внедрение НОТ призвано повысить эффективность
труда не только рабочих, но и инженеров, техников,
управленческого а'ппарата предприятий. Весьма важное
направление в этой области — механизация труда
работников названных профессий. В частности, большой эф-
151

фект дает применение счетно-вычислительной,
контрольной, копировально-множительной техники, различных
средств связи, хранения, поиска и выдачи информации.
Такого рода приборы и приспособления освобождают
конструкторов и технологов от монотонных,
механических операций, делают их труд более творческим,
позволяют больше времени уделять вопросам
совершенствования и развития производства.
Разработке, конструированию, внедрению и
оптимальному использованию средств оргтехники в
настоящее время уделяется много внимания. При ряде
промышленных министерств и ведомств 'созданы и успешно
работают специальные конструкторские бюро
оргтехники. Одним из первых таких СКБ в нашей стране было
конструкторское бюро оргтехники в городе Вильнюсе.
Уже в самом начальном периоде работы сотрудники
Вильнюсского СКБ оргтехники разработали (а
электротехнический завод в Паневежисе начал серийный
выпуск) систему радиовызова и отдельные приборы для
этой системы.
Каждый, кому приходилось работать на заводе,
фабрике, стройке, хорошо знает, с какими трудностями
связан поиск некоторых сотрудников. Допустим, чго
начальник цеха находится в другом цехе, где решает
какие-то вопросы совместной работы. В этот момент его
срочно вызывает главный инженер, директор или
главный конструктор. Найти его и передать распоряжение
очень нелегко. А с помощью системы радиовызова
справиться с такой задачей совсем нетрудно. Работает
система так. У каждого сотрудника определенного ранга
имеется небольшой приемник (весом приблизительно
0,1 кг); он настроен на волну пульта, установленного в
заводоуправлении. По частоте сигналов вызываемый
может легко определить, кому он понадобился —
директору, его заместителю, главному инженеру или главному
бухгалтеру. Первой систему освоила трикотажно-чулоч-
ная фабрика «Спарта» (г. Вильнюс).
Для многих предприятий, производящих товары
широкого потребления, большое значение имеет учет спроса
на товары и отзывы покупателей относительно их
качества. Вильнюсское СКБ оргтехники откликнулось и на
эту потребность; была создана система ежедневного
статистического учета. Опробовали ее в магазине автомо-
152

бильных запчастей. Выслушав просьбу покупателя,
которую в данный момент магазин не может удовлетворить,
продавец нажимает соответствующую кнопку пульга. В
конце дня сведения подытоживаются и сообщаются на
завод.
В настоящее время средствами оргтехники
оснащены многие конструкторские бюро и проектные институты,
заводы и фабрики, строительные и железнодорожные
участки, оптовые (базы и горнодобывающие комбинаты.
Их опыт показывает: внедрение оргтехники, без которой
невозможна современная научная организация труда,
способствует росту эффективности производства,
улучшению показателей качества продукции, повышению ее
надежности в работе.
Научная организация труда немыслима без
правильного его нормирования. Думается, что этот тезис не
требует пояснений. Что же касается конкретных форм
нормирования труда, то они весьма специфичны в
каждой отрасли производства и давать здесь общие
пояснения было бы, пожалуй, неразумно. Читатель легко
найдет сведения по данному вопросу в специальных
справочниках. Скажем только, что правильное нормирование
труда — залог правильной оценки его результатов. А
без такой оценки была бы невозможна все шире сейчас
распространяющаяся новая система .планирования и
экономического стимулирования. Следует помнить
также, что совершенствование нормирования означает не
только внедрение технически обоснованных норм в
собственно производительных трудовых процессах, но и
установление четких норм обслуживания и па
вспомогательных операциях, а также организацию нормирования
труда инженерно-технических работников и служащих.
«...Как бы различны ни были отдельные виды
полезного труда, или производительной деятельности,— писал
К. Маркс, — с физиологической стороны это — функции
человеческого организма, и каждая такая функция,
каковы бы ни были ее содержание и ее форма, по
существу есть затрата человеческого мозга, нервов, мускулов,
органов чувств и т. д.». Вот почему важнейшая
составная часть НОТ — внедрение в производственную
практику достижений психофизиологии труда (о некоторых
аспектах этого важного научного и практического
направления, имеющих наибольшее значение с точки зрения
153

борьбы за надежность, мы уже рассказывали в главе
«Проблема контакта», посвященной вопросам
эргономики).
Среди основных направлений борьбы за НОТ
следует отметить также всемерное расширение и
научно-технической информации, доведение имеющихся
достижений в области 'передового опыта до каждого
работника— будь то директор завода или рабочий, занятый на
вспомогательных операциях, совершенствование системы
подготовки и повышения квалификации кадров (опять-
таки от рабочих-станочников до «капитанов современной
индустрии»). Значение этих мероприятий для
улучшения показателей качества и надежности промышленной
продукции, как нам кажется, не требует ни
комментариев, ни доказательств.
И 'последнее. За всеми конкретными делами,
направленными на внедрение в производственную практику
НОТ, следует всегда и постоянно видеть главную цель
этого движения. А цель такова: способствовать созданию
материально-технической базы коммунизма и
воспитанию советских трудящихся в духе подлинно
коммунистического отношения к труду, т. е. участвовать в обоих
направлениях того великого дела, которым занят сейчас
наш народ, — строительства коммунистического
общества.

НАДЕЖНОСТЬ И МЫ
Люди во тьме. «Надежность» и «надежда». Немного
об экономике
Казалось, что огромный город глухо стонет — как
человек, которому очень больно. И страшно. Город
действительно был болен, и болен серьезнее, чем можно было
предположить в первые минуты после катастрофы...
Это случилось несколько лет назад в Нью-Йорке,
когда вышла из строя одна из электростанций,
снабжающих город электроэнергией. Целые районы
города-гиганта внезапно погрузились во тьму. Погасли уличные
155

фонари и экраны телевизоров, замолкли
радиоприемники, и даже неугомонная световая реклама прекратила
свои цирковые трюки. Сотни тысяч людей были
настигнуты темнотой. На эскалаторах метро и в вагонах «над-
земки», на улицах и в кабинах скоростных лифтов, в
залах кинотеатров и дансингов стояли десятки тысяч
ньюйоркцев — и ждали. Кого-то затоптали в толпе, кто-то
остался без медицинской 'помощи... Время шло, а
темнота не уходила.
Позднее специалисты определили причину
катастрофы — ненадежность некоторых элементов оборудования
электростанции.
А спустя приблизительно год, как свидетельствуют
специалисты, сходная аварийная техническая ситуация
возникла на одном из объектов в системе
энергоснабжения Киева. Но жители столицы Советской Украины
ничего не заметили: предусмотренные меры
резервирования сделали данную систему вполне надежной.
Этот эпизод мы привели в заключении книги, чтобы
еще раз подчеркнуть огромное значение проблемы
надежности для всех, для каждого из нас. И тот факт, что
подобное значение проблема надежности технических
изделий 'приобрела в 'последние годы, — не случаен.
Как уже говорилось, техника стала неотъемлемым
фактором жизни человека и человечества. И люди в этих
условиях 'предъявляют к технике новые, все более
жесткие требования. Одно из них — требование к надежности
технических устройств. Значение проблемы надежности
столь велико, что ученые—и те, кто работает в сфере
техники, и социологи, и экономисты — с 'полным правом
считают ее «технической проблемой номер один».
В русском языке слова «надежность» и «надежда»
имеют одинаковые корни. Это не удивительно, ведь
термин «надежность» первоначально нес в себе частицу
определенной неуверенности в конечном результате. В
настоящее же время этот термин утратил вероятностный
оттенок своего смысла. Правда, как читатель уже знает,
надежность изделия — это качество, развернутое в
будущее, а прогноз никогда не может быть, с учетом законов
теории вероятностей, абсолютно точным и однозначным.
Гарантии на будущее в современной теории надежности
«добываются» из сведений о прошлом и настоящем. И
все же современные научные методы позволяют осуще-
156

ствить расчет этих гарантий так, чтобы они отвечали
главному требованию, предъявляемому ко всякой
технической характеристике, — имели достаточно точное
количественное выражение.
Столь же точно современная наука может высчитать
и экономическое значение повышения надежности — на
одном предприятии, в отрасли индустрии, в масштабах
всей страны, наконец. Но даже самые приближенные
данные показывают: «игра стоит свеч». Экономическую
эффективность улучшения показателей надежности
промышленных изделий трудно переоценить.
Высокая надежность технического устройства стоит
немало. Но низкая надежность зачастую обходится еще
дороже. Как уже говорилось, эксплуатация сложного и
ненадежного оборудования сопряжена с большими
расходами на содержание высококвалифицированного
обслуживающего персонала, на предупредительный и
текущий ремонт. Стоимость эксплуатации такого
оборудования в течение одного года иногда в несколько раз
превышает стоимость самого оборудования.
Но это только одна, в ряде случаев меньшая, доля
расходов, связанных с недостаточной надежностью
технических устройств. Другая, нередко более существенная
часть, связана с материальными потерями. Примеров
этому достаточно много. На одном химическом
комбинате использовалось простое регулирующее устройство —
электроконтактный манометр ценой 7 руб. 30 коп.
Материальные потери вследствие каждого его отказа
оценивались в 200 руб., причем прибор отказывал, в
среднем, 6 раз в месяц! А вот второй пример —
автоматическая линия, способная работать без отказа, в среднем,
всего лишь полчаса, а максимум — три часа. Даже если
на восстановление работоспособности линии уходит
только десять минут, то и тогда теряется 8—10%
продукции. При повышении средней наработки до отказа
до 20 часов при том же времени ремонта потери
составят всего 1 %.
За надежность приходится златить. Любая мера по
повышению надежности влечет за собой необходимость
дополнительных затрат. Всем этим и объясняется то, что
все чаще понятия надежности и экономики стоят рядом в
одном тексте. Это не дань моде, а выражение
внутренней глубокой взаимосвязи явлений и фактов.
157

Для заказчика, с экономической точки зрения, важно,
чтобы надежность технического устройства была такой,
при которой сумма покупной цены и стоимости
эксплуатации (даже если не учитывать материальные
последствия отказа) была минимальной. Однако требования
высокой надежности и низкой стоимости оборудования
противоречивы: чем выше надежность, тем дороже
техническое устройство. Конечно, если речь идет об аппаратуре,
работа которой связана с человеческой жизнью
(медицинское оборудование, оснащение космических кораблей
и т. п.), вопросы экономики отступают на второй план.
Во всех других случаях противоречия между
требованиями к надежности и стоимости приходится
примирять— искать некоторое оптимальное соотношение
между ними.
В .принципе, можно создать такое техническое
устройство, надежность которого сколь угодно близка к
единице. Но зато и стоить она будет столько, что сумма,
которую за него придется заплатить, превысит всякие
разумные цифры.
Для достижения определенного (в частности,
заданного) уровня надежности восстанавливаемого
технического устройства существует две возможности:
уменьшение интенсивности его отказов (или, другими словами,
увеличение средней наработки между отказами) и
сокращение времени 'простоя. Первый вариант построения
можно осуществить одним из следующих мероприятий
(или всеми одновременно): 'применением
высоконадежных деталей; использованием деталей с некоторым
средним уровнем надежности при условии применения
резервирования отдельных узлов; увеличением числа деталей
с одновременным понижением требований к их
надежности за счет снижения коэффициентов нагрузок деталей.
Чем надежней «кирпичи», тем 'надежней все
«здание». Однако любое техническое устройство имеет
вполне определенный срок службы, который определяется
физическим и моральным износом. Значит, детали, с
технической точки зрения, используются оптимально в том
случае, когда срок службы устройства 'Приведен в
соответствие с требованиями к надежности деталей, и
наоборот. Если новое устройство проектируется с расчетом на
срок службы 10 лет, то совершенно неоправдаыо
использовать в нем детали, срок службы которых равен 30 го-
158

дам. С другой стороны, для подавляющего большинства
деталей срок службы и интенсивность отказов —
величины взаимосвязанные: чем больше срок службы, тем
ниже интенсивность отказов, т. е. тем больше они
работают до отказа (конечно, в среднем).
Это объясняет, почему экономические расчеты
проводятся на каждом этапе разработки мероприятий по
повышению надежности технического устройства.
Например, при прочих равных условиях вполне естественно
желание проектировщиков испо,льзовать наиболее
надежные детали. Но с ростом надежности во всех случаях
без исключения растет и цена. В среднем, при
уменьшении интенсивности отказов в 100 раз стоимость
транзистора возрастает в 10 раз.
Точно так же и любые другие меры по повышению
надежности в экономическом смысле не всегда
безукоризненны. Например, использование резервирования
позволяет повысить вероятность безотказной работы,
среднюю наработку до отказа и ряд других характеристик
надежности объекта. Но ведь при резервировании
увеличивается общее количество деталей. Значит увеличится
количество отказов в единицу времени. Отсюда следует,
что для обеспечения оперативного ремонта нужно
увеличивать объем запасного оборудования. Все это связано
со значительным ростом стоимости.
Приведенные примеры показывают, что любая мера
по повышению надежности строго 'проверяется
экономистами. Но в конечном итоге качество изделия от этого не
страдает. Характерное для современной техники
содружество специалистов .самых разных профилей позволяет
оптимизировать надежность промышленных изделий с
учетом любых ограничений, в том числе экономических.
Наше путешествие по этажам «здания надежности»,
уважаемые читатели, подошло к концу. Конечно, не все
аспекты проблемы надежности мы изучили с полной
основательностью, не во все двери на этажах «здания
надежности» постучались. И все же путешествие было, как
нам кажется, продуктивным. Надеемся, что оно было
также и достаточно увлекательным. Но об этом судить
вам, дорогие читатели.

СОДЕРЖАНИЕ
Микротрещины на скамье подсудимых 3
«Кирпичи» технического устройства П
Надежность схемы 31
Дублирующий состав 55
Решение подсказывает природа 78
Восстановление 96
Проблема контакта U5
Часовые надежности 145
Надежность и мы 158
Красновский Александр Абрамович, Ткаченко Леонид Григорьевич
«ЭТАЖИ НАДЕЖНОСТИ»
Редактор издательства М. С. Аникина Художник Е Г. Байтман
Техн. редактор Н. Н. Скотникова Корректор В. Е. Блохина
Т—13649 Сдано в набор 15/VII 1971 г. Подписано в печать 29/IX 1971 г.
Формат 84X108'/з2 Печ. л. 5,0 (Усл. печ. л. 8,40) Уч. изд. л. 8,40
Бум. л. 2,5 Бумага № 2 Тираж 14 000 экз. Зак. № 2741
Цена 26 коп. Тем. план БЗ № 38 1971 г. № 51
Издательство «Машиностроение», Москва, Б-66, 1-й Басманный пер., 3.
Московская типография № 8 Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР,
Хохловский пер., 7