Появление теории надежности как научной дисциплины связано с появлением в конце 19 века первых технических устройств. В это время начали задумываться о том, как сделать любую машину «не ломающейся» и появилось понятие «запас прочности» [3].
На начальных этапах увеличение параметра прочности производилось за счет увеличения габаритов изделия, что не всегда было приемлемо. По этой причине начали рассматривать не конструкционные, а статистические методы контроля состояния управляемых объектов [1].
Вместе с тем возникали новые направления исследований, связанные с поиском принципиально новых способов повышения надежности, прогнозированием отказов и показателей надежности, анализом физико-химических процессов, оказывающих влияние на надежность, установлением корреляционных связей между характеристиками этих процессов и показателями надежности, совершенствованием методов расчета показателей надежности [2].
Испытания на надежность совершенствовались главным образом в направлении проведения ускоренных и неразрушающих испытаний. Наряду с совершенствованием натурных испытаний широкое распространение получило математическое моделирование.
В 1930 г. А. Н. Колмогоров изложил теорию вероятностей формальным аксиоматическим методом. При построении теории, в соответствии с работами Д. Гильберта и П. Бернайса по обоснованию математики, стали различать использование двух видов аксиоматических методов: формальный и содержательный [4].
В 1933 г. была создана методология проверки качества изделий, входящих в партию, на основе выборочного контроля. В основе методологии контроля были заложены понятия минимизации ошибок первого рода (а – риск поставщика) и второго рода (β – риск потребителя).
Теорию и критерии оценки с 1933 г. связывают с именами Дж. фон Неймана и К. Пирсона, опубликовавших статью "К проблеме эффективной проверки статистических гипотез". Она легла в основу теории решений, широко применяемой во многих областях, в частности в радиолокации при обнаружении групповых целей.
В годы Великой Отечественной войны (1941–1945) А. Н. Колмогоров разработал статистический метод контроля качества продукции при нулевом приемочном числе допустимых дефектных изделий. В. И. Романовский использовал метод дискретных марковских цепей для исследования стохастических процессов с примерами их применения к задачам оценки надежности систем связи, явлениям радиоактивности и катастрофам. Его подход основан на работах выдающегося русского ученого А. А. Маркова и изложен в терминологии А. Н. Колмогорова, А. Я. Хинчина и А. К. Эрланга. Для скорейшей организации производства надежных танков был разработан функционально-стоимостной анализ.
В 1943 г. – американский статистик А. Вальд предложил теорию последовательного анализа для разработки планов выборочного контроля качества изделий.
Важное событие случилось в 1945 г.: были сделаны первые атомные бомбы. Они прошли испытания в США, а затем были впервые применены в ходе военных действий в Японии, и военными США результаты их применения были признаны успешными. Высокая надежность и эффективность таких бомб была доказана экспериментально, хотя А. Эйнштейн негодовал.
В послевоенное время, как и всегда в подобные периоды, началась переоценка ценностей. Вторая мировая война унесла десятки миллионов человеческих жизней, показала ненадежность хрупкого мироустройства, заставила оценить планетарное влияние. Об этом влиянии пророчески писал основоположник учения о биогеоценозе В. И. Вернадский, теоретически показавший, как опасно изменять пространственно-временно-энергетические соотношения, переоценивать смысл жизни и опережающую роль управляющих информационных решений людей. В эти годы ставится вопрос о необходимости синтеза высоконадежных информационных (в том числе разведывательных) технических систем. Решения проблемы надежности пытаются найти, переходя от живого вещества к технике. Это связывают с кибернетическими работами группы Н. Винера, работами по теории автоматов Дж. фон Неймана и по кодированию информации К. Шеннона (надежность секретных систем связи). Перу последнего принадлежит, в соавторстве с Э. Муром, известная работа по построению надежных устройств (схем) из менее надежных составляющих (реле). Это инженерно- техническая работа, которая опирается на идеи Дж. фон Неймана, в ней используется лишь вероятностная логика, а также заимствованный у математиков России аппарат производящих функций [5].
В результате к середине ХХ-го века сформировались основы общей теории надежности. Увеличивающаяся сложность технических устройств, возрастающая ответственность функций, выполняемых техническими системами, повышение требований к качеству изделий и условиям их работы, возросшая роль автоматизации управления техническими объектами – основные факторы, определившие главное направление в развитии науки о надежности. (Если не принимать специальных мер по обеспечению надежности, то любая современная машина практически окажется неработоспособной.)
Этап становления теории надежности
В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали первую группу для изучения проблем надежности радиоэлектронного оборудования. Эта группа установила, что основная причина отказов радиоэлектронной аппаратуры заключалась в низкой надежности элементов. Были определены пути решения этой проблемы, в частности, разработка эффективных методов повышения надежности; изучение влияния различных факторов на отказы элементов. Собранный обширный статистический материал послужил основой существенного вклада в теорию надежности.
В середине XX века вопросами надёжности машин стали уделять очень большое внимание [5]. Это объясняется следующими причинами:
1. Технические устройства стали всё более сложными по конструкции, а, следовательно, всё более дорогостоящими.
Выход из строя одной детали такой машины может привести к большим издержкам, а возможно и человеческим жертвам. Примеров довольно много, это и неудачные испытания, и аварии самолётов, ракет, космической техники. Так, в начале космической эры, трое наших космонавтов погибли при спуске с орбиты на землю из-за поломки простейшего клапана, цена которому «копейки» (выход из строя этого клапана привел к разгерметизации кабины космонавтов).
2. С развитием техники, рабочие выходные параметры машин стали резко возрастать. Так, в настоящее время, автомобильная промышленность выпускает автомобили, скорость которых может быть достаточно высокой (150-180 км/час.). Поломка автомобиля на такой скорости может привести к очень тяжелым последствиям, включая и человеческие жертвы.
3. Многие машины стали «участниками» технологических процессов. Поломка такой машины (например, подшипника на сборочном конвейере) может привести к остановке всего производства.
Среди испытаний на надежность технических средств со временем стали преобладать ускоренные и неразрушающие испытания. Наряду с ними широкое распространение получили математическое моделирование и сочетание натурных испытаний с моделированием. К 50-м годам XX века сформировались основы общей теории надежности и ее частных направлений. Технический прогресс первой половины XX в. последовательно ставил все более сложные задачи обеспечения прочности строительных конструкций, машин и надежной передачи электроэнергии[6].
Введение запасов, с одной стороны, приводило к увеличению габаритов и массы оборудования, дополнительному расходованию материалов; с другой стороны, стимулировало изучение реальных нагрузок эксплуатации и несущих способностей материалов и конструкций, а также процессов изменения несущей способности вследствие усталости и старения материалов. Все это стимулировало более широкое использование методов возникшей еще в XVII в. теории вероятности, а также создание математической статистики.
Этап классической теории надежности.
В этот период активно развивается космическая техника, требующая повышенной надежности. Начинает развиваться теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надежности машин [6].
В 60-70 годах появляется космическая техника, требующая повышенной надежности. С целью обеспечения надежности этих изделий начинают анализировать конструкцию изделий, технологию производства и условия эксплуатации.
На этом этапе было установлено, что причины поломок машин можно обнаружить и устранить. Начинает развиваться теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надежности машин.
Несмотря на то, что в настоящее время еще продолжается публикация отдельных работ, основанных на концепции случайности причин отказов и их неизбежности, большинству работ на этом этапе присуши следующие принципы:
1. отказ от концепции случайности причин отказов и их неизбежности, и связь отказов с конструктивно-технологическими факторами;
2. необходимость установления причин отказов, а не только констатация их случаев и числа;
3. отсутствие направленности методов промышленного контроля, действующих на предприятиях, на выявление дефектов, приводящих к отказам;
4. необходимость повсеместного перехода на контроль надежности в условиях изготовления.