Паттерны отказов – мифы и реалии

Стоит ли снова и снова писать об RCM, или Reliability-centered Everything

Как известно, первое описание RCM дано в отчете Ноулана и Хипа [1] (далее кратко N&H), который так и назывался – Reliability-centered Maintenance. Согласно базе Google Scholar, количество ссылок на термин Reliability-centered Maintenance составляет примерно 460 000 и продолжает расти.

Означает ли это, что RCM совершает победное шествие по земному шару? Пожалуй, это не так. Можно утверждать, что с учетом проблем и сложностей внедрения эта методология занимает свое достойное, но далеко не центральное место среди других методов обслуживания оборудования [2]. Однако со временем значение идей, заложенных в основу RCM первопроходцами этой методологии (Маттесон, Ноулан и Хип [3]), вышло за ее пределы и привело к тому, что многое в наши дни становится «центрированным на надежности». Можно встретить такие термины, как
Reliability-centered Sales, Reliability-centered Lubrication, Reliability-centered Design, Reliability-centered Manufacturing и т. п. По мнению одного из авторитетов в области RCM Дугласа Плакнетта (Doug Plucknette), стоит говорить о Reliability-centered Everything.

Поэтому знать основы RCM необходимо не только тем, кто применяет или собирается применять эту методологию, но и всем работающим в области управления активами и их надежностью.

Вместе с тем, занимаясь управлением надежностью, я постоянно сталкивался с недопониманием и путаницей в публикациях, посвященных основным понятиям RCM. Одно из таких понятий – так называемые паттерны (модели) отказов – Failure Patterns, реже употребляется термин Failure Profiles – характерные виды кривых интенсивности отказов. Это один из краеугольных камней RCM. Однако его значение велико не только в контексте этой методологии, но и в целом в области ТОиР и надежности (M&R).

«Классические» 6 видов паттернов впервые были описаны в 1978 году в отчете [1] на основе результатов исследований, которые проводились в авиакомпании United Airlines еще с 50-х годов. Впоследствии аналогичные результаты были получены и другими исследователями.

Однако, как показали мои обсуждения со специалистами «по обе стороны океана», до последнего времени знание об исследованиях паттернов отказов и их результатах ограничивалось парой картинок, размножаемых по миру методом «копипаст».

К тому же за последние четверть века понятие «паттерны отказов» обросло многочисленными мифами и недоразумениями, и «отряхнуть с него пыль» было бы полезно. Увы, многое оказалось скрытым в архивах или утерянным в глубине времени. И все же удалось обнаружить ряд интересных (по меньшей мере интересных для меня) материалов.

Исследования и исследователи

В отчете N&H отсутствуют детальные сведения о количестве и составе оборудования и компонентов. Но из текста отчета можно увидеть, что испытаниям подвергались не менее двух типов авиадвигателей: упомянуты поршневой (самолета Douglas A-4) и реактивный (Boeing 757). В отчете также разобран в качестве примера анализ кондиционера системы охлаждения Douglas DC-10. Кроме того, упомянуты такие элементы, как шины, цилиндры поршневых двигателей, тормозные колодки, лопатки компрессора турбинных двигателей и части конструкции самолета.
О суммарном количестве компонентов и оборудования, подвергавшихся испытаниям есть упоминание в Руководстве ВМС США по проведению RCM [4]: «Результаты первоначального исследования United этой взаимосвязи показаны на рисунке 2.1 в столбце UAL, которые были
разработаны на основе исследования 139 компонентов и оборудования самолетов».

Впервые упоминание о результатах других исследований, аналогичных полученными UAL, появилось в 2000 году в отчете NASA [5]. В нем (без ссылок на источники) фигурируют UAL (1968), BROMBERG (1973) и U.S.NAVY (1982) (см. рис 1).

Рисунок 1 – Паттерны из отчета NASA [5]

В работе Тимоти Аллена [6] (опубликованной годом позднее) добавлены данные из исследования SUBMEPP (2001).

Рисунок 2 – Паттерны из отчета Тима Алена [6]

Во всех этих исследованиях случайные отказы составляют от 77 до 92 процентов от общего числа отказов, а характеристики отказов, связанные с возрастом, составляют от 8 до 23 процентов.

К сожалению, в перечисленных материалах видны явные нестыковки, прежде всего – с датами ранних исследований. Так, нет никаких свидетельств о том, что результаты UAL по паттернам отказов получены в 1968 году, а результаты Броберга – в 1973 году (не говоря о том, что фамилия Броберга в отчете NASA [5] приведена с ошибкой – Bromberg).

Некоторые мало известные факты, связанные с этими исследованиями и их авторами, приведены далее.

Кто вы, мистер Броберг?

В 1973 году в трудах конференции IEEE по надежности была опубликована статья [7] группы авторов из Швеции, посвященная программным средствам обработки статистики отказов. Имена ее авторов – Хенрик Броберг, Ингер Густафсон и Фредрик Сандин (Henrik Broberg, Inger Gustafson and S.G. Fredrik Sandin). Их местом службы в статье была названа Military Electronics Laboratory (FTL). FTL – это сокращение от шведского Försvarets teletekniska laboratorium – Оборонная лаборатория телекоммуникационных технологий.

Примеры в статье связаны с данными о надежности элементов радиоэлелектроники. В ней не было упоминаний о шести паттернах отказов и их соотношениях. Но в книге L.F. Pau. Failure diagnosis and performance monitoring приведены картинки шести паттернов и их процентов «по Бробергу», со ссылкой на отчет FTL 1973 года: H. Broberg. Failure rate function from test data, FTL report A-16-28, FOA-3, Stockholm, April 1973 (failure rates vs. Time). К сожалению, этот отчет найти не удается. FTL сотрудничала с военными США, и не удивительно, что первые упоминания о результатах FTL появились в отчете NASA.

Примечательно, что в том же сборнике докладов было еще несколько статей, посвященных статистике и паттернам отказов (в том числе присланная из Японии), а в сборнике за предыдущий год – статья российского ученого [8],что говорит о заметном интересе к этому вопросу.

Там же была статья Смита и Маттесона [9] (на другую тему) – так что, очевидно, в UAL знали о работах группы Броберга. Но в отчете N&H ссылки на Броберга отсутствуют.

Рисунок 3 – На фотографии – Хенрик Броберг

Несколько слов о личности Хенрика Броберга. Вот что удалось найти (в основном в [10]). Он был гражданином Швеции, родился в Стокгольме 18.02.1940 г., прожил долгую жизнь (ум. в июне 2023 г.). В Стокгольмском университете он получил шведскую степень Fil.Lic. с отличием (эквивалент PhD) по физике со специализацией в области электроники, побывал в должности главного инженера и зам. директора FTL. Впоследствии был консультантом в области систем телекоммуникации и спутниковой связи, работающим во многих странах мира, от Северной Европы до Африки и стран Ближнего и Дальнего Востока.

Далее вкратце о последующих исследованиях.

Исследование ВМС США (1982)

В 1982 году ВМС США провели крупное исследование по техническому обслуживанию, ориентированному на надежность, часто называемое «исследованием MSP». MSP study (Maintenance and Supply / Fleet study) переводится как «Исследование технического обслуживания и снабжения». Это исследование расширило анализ RCM за пределы авиации на военно-морское судовое оборудование. В нем были проанализированы данные об отказах широкого спектра судовых систем и компонентов надводных ВМС США. Набор данных MSP ВМС 1982 года включал судовые системы и компоненты с различных классов кораблей (например, компоненты пропульсивной установки, насосы, клапаны, электронику и т. д. на надводных боевых кораблях и вспомогательных судах).

Тим Аллен (см. его статью [6]), который занимался аналогичными исследованиями для подводного флота США, отмечает, что многие компоненты ВМФ проходят тщательное тестирование и приработку (например, во время морских испытаний) перед вводом в эксплуатацию, поэтому набор данных содержал относительно мало отказов «детской смертности» – они были отфильтрованы при первоначальном тестировании. Кроме того, анализ MSP ВМФ выявил более высокую частоту отказов, связанных с износом, чем в UAL. По мнению Тима Аллена, это в значительной степени объяснялось суровыми условиями на борту корабля – в том числе, коррозией, вызванной контактом с соленой водой.

Исследование SUBMEPP (2001 год)

SUBMEPP (Submarine Maintenance Engineering, Planning and Procurement) – переводится как «Инженерное обеспечение, планирование и закупка технического обслуживания подводных лодок».

Описание многих деталей этого исследования содержится в уже упоминавшийся выше работе Тимоти Аллена [6]. Она в основном посвящена обзору данных по надежности для подводного флота США, но включает и историю вопроса. Написанная одним из непосредственных участников, она является наиболее ценным источником сведений об исследованиях паттернов отказов. Вот цитата из Вступления к работе Аллена:

«В 1998 году деятельность Командования военно-морских систем SUBMEPP (Инженерия, планирование и закупка технического обслуживания подводных лодок) разработала возможность создания кривых возраста и надежности с использованием данных обратной связи по техническому обслуживанию. Это предоставило организации новые средства для объективного измерения эффектов планового обслуживания для разработки оптимальных планов обслуживания. После трех лет создания кривых возраста и надежности SUBMEPP готов сообщить, что выводы 1961 года по-прежнему актуальны. В большинстве случаев нет никакой связи между временем капитального ремонта и надежностью».

Аллен пишет, что были созданы графики возраста и надежности для пятидесяти двух типов компонентов подводных лодок. В их числе – оборудование связи, холодильные установки, турбогенераторы и оборудование для работы с буксируемыми антенными массивами, воздушные осушители, распределительные щиты, автоматические выключатели, люки, компрессоры, насосы, конденсаторы, электродвигатели, торпедные аппараты, оборудование для контроля атмосферы и подшипники валов пропульсии. Также были проанализированы простые, но жизненно важные компоненты, такие как корпуса и запасные клапаны, газовые регуляторы, запорные клапаны и свистки корабля. Отметим, в этом списке как простые компоненты, так и, по большей части, сложные системы.

Несколько слов о Тиме Аллене

Тим получил степень бакалавра наук в области технологий машиностроения в Университете штата Мэн в 1986 году. В 1997 году он получил степень магистра делового администрирования в New Hampshire College.Тим работал в SUBMEPP двадцать лет и был лидером в NavyRCM с 1996 года, где он представлял программу RCM подводных лодок ВМС США. После ухода из ВМС Тим 5 лет специализировался на консалтинге RCM под руководством Энтони МакСмита, пионера в области RCM, и в настоящее время продолжает заниматься консалтингом в области управления надежностью в различных сферах.

«Работают» ли результаты перечисленных исследований в «обычной» промышленности?

Многие исследователи выражали сомне ния в том, что результаты, полученные на материалах авиации и ВМФ, будут применимы в «обычной» промышленности. Конечно же, специфические отрасли имеют заметные особенности, но не было исследований, результаты которых отличались бы от перечисленных коренным образом. Преимущественно дискуссия ограничивается утверждениями о несколько иных соотношениях между теми же шестью паттернами.

Однако исчерпывается ли все многообразие моделей поведения оборудования шестью «классическими» паттернами, несмотря на бездну публикаций? По сути все, что предлагается за последние четверть века – это добавление еще одного варианта начального участка паттерна в комбинации с «классическими» последующими участками (см. рис. 4).

Рисунок 4 – Новые варианты паттернов отказа

Разница в том, что на участке «детской смертности» в некоторых случаях высокая интенсивность отказов проявляется не сразу, а с течением некоторого времени. Видимо, впервые это детально обсуждено в [11].

Развеивая туман

В сети можно увидеть сотни черно-белых и цветных вариантов картинок паттернов, и казалось бы, что их содержание все понимают одинаково. Но это совсем не так.

Начнем с того, что зададимся вопросом: что означают цифры процентов на знаменитых графиках паттернов? Мнения на этот счет далеко не единодушны. В одних публикациях говорится, что это количество отказов, в других – количество видов отказов (failure modes).

Обратимся к первоисточнику. На рисунке с паттернами из N&H написано:

«The percentages indicate the percentage of Items studied that fell into each of the basic patterns (UnitedAirlines)». (см. рис. 5, слева сверху).

Рисунок 5 – Из отчета Ноулана и Хипа

Но что означает слово «items» в данном предложении? В докладе Ноулана и Хипа слово items используется для обозначения позиций (типов элементов, видов оборудования), а для экземпляров используются слова parts и units. Пример из N&H: «a group of units of a given item».

Ни в одном месте доклада с описанием методик построения паттернов не говорится о видах отказов. Приведенные примеры, среди которых испытания двух типов авиадвигателей – поршневого и реактивного, также описывают времена жизни двигателей, без детализации причин (видов) их отказов.

Второй шаг – рассмотрение горизонтальной оси на этих графиках. Очевидно, что это – время. (Для N&H это – время наработки). Но что представляет собой максимальное время на картинках? Это – не праздный вопрос, и возникает он в связи с тем, что согласно выводам N&H для большинства исследованных ими видов оборудования и деталей у них нет участка износа. N&H цитируют фразу, которую они считали «девизом ТОиР»: «Оборудование ломается, а не изнашивается». Но неужели единицы, у которых на паттернах нет участка износа, никогда не изнашиваются?

Не следует интерпретировать кривые D, E и F как то, что (некоторые) элементы никогда не изнашиваются и не деградируют. Все изнашивается со временем. Но многие элементы изнашиваются так медленно, что износ не является практической проблемой. Эти элементы не достигают зоны износа в нормальном сроке эксплуатации.

Таким образом, именно участок, соответствующий периоду «нормальной эксплуатации», оказывается наиболее часто встречаемым – и вместе с тем вызывающим дискуссии. И мы приходим к тому, чтобы обсудить вопрос о так называемых «случайных отказах».

Поговорим о «случайных отказах»

Сначала определим, какие отказы мы называем случайными. Далее мы будем называть так те отказы, интенсивность которых на интересующем нас интервале времени не имеет выраженного участка быстрого роста (т. е. примерно постоянна, или же медленно растет). Вот некоторые утверждения, которые встречаются даже у весьма уважаемых специалистов (а затем неоднократно тиражируются методом копипаст):

Случайные отказы встречаются преимущественно в электронной аппаратуре. (НЕВЕРНО!)
Большое количество случайных отказов в отчете N&H связано с тем, что в исследуемых ими образцах присутствовало много электроники. (НЕВЕРНО!)
Еще одно мнение: основная причина случайных отказов – ошибки людей. (НЕВЕРНО!)

Обсудим эти утверждения.

Ряд авторов считает, что основные причины случайных отказов – это электронное оборудование и/или человеческие ошибки. С тем, что эти причины важны, нельзя не согласиться.

Но являются ли они основными? Если обратиться к авторам «классических» исследований, то они прежде всего подчеркивают «случайность» отказов сложного оборудования, имеющего многочисленные виды отказов, но не обладающих преимущественным видом отказа. Таким образом, для сложного оборудования «случайность», как правило, вызывается наложением большого количества факторов.

Я бы хотел обратить внимание еще на три категории причин, которые упоминаются относительно редко.

Первая категория – это природные явления (молнии, необычная снеговая нагрузка, резкие перепады температуры, падение деревьев и так далее). Это особенно важно для протяженных объектов (линии электропередач и так далее).

Вторая категория – резкое изменение условий работы (броски напряжения, давления, состава протекающих жидкостей). И это далеко не всегда напрямую связано с ошибками людей.

Третья категория – на ней хотелось бы остановиться более подробно.

Она связана с отказами, которые могут быть причислены к износовым по своей природе, но благодаря множеству случайных факторов выглядят на интересующих нас отрезках как случайные. Дело в том, что во многих случаях приходится рассматривать поведение оборудования и его элементов на участке времени, значительно меньшем среднего времени до отказа. Это происходит, когда интенсивность отказов такова, что значительная часть оборудования отказывает намного раньше. Известно, что испытания значительной части оборудования проводились и проводятся не до отказа всех испытуемых единиц, а до отказа от 40 % до 50 % единиц. Пример – отказы подшипников или электродвигателей. Известно также из упоминаний в технической литературе, что разброс времени жизни новых подшипников в условиях испытаний достигает 10 или даже 20. Ограничимся примером испытаний подшипников, приведенным в отчете NASA [5]. Значительный разброс в сроке службы подшипников исключает использование какой-либо эффективной стратегии обслуживания, основанной на времени.

Рисунок 6 – Результаты испытаний до отказа тридцати (по вертикали время до отказа)

Еще один пример – испытания реактивных авиадвигателей, описанные в книге Ноулана и Хипа. Аналогично, можно увидеть значительный разброс времен жизни, полученный на испытаниях электродвигателей, результаты которых можно встретить в технической литературе.

Однако и для тех деталей, которые сделаны из одного куска металла (тех, которые Ноулан и Хип называли «одноклеточными»), разброс времен выхода из строя часто бывает весьма велик. Это связано с неоднородностью характеристик исходного материала.

Таким образом, мы в пересиленных случаях не только не доходим близко до «участка износов», но к тому же нам этот момент не интересен, так как производить замену в это время уже поздно. Например, для подшипников допустимым пробегом до замены считается количество оборотов, при котором выходит из строя не более 10 % популяции. Если в это время заменять все подшипники, то количество отказов из-за разборки и сборки оказывается значительно больше, чем уже неработоспособных подшипников. Это хорошо известно, например, для станочного оборудования.

Вышесказанное относится к «чистым» испытаниям в лабораторных условиях. Нельзя не сказать о том, что «в поле» ситуация усугубляется неоднородностью внешних условий (нагрузка, вибрация и удары, перепады температур). Достаточно одной бочки некачественного масла для того, чтобы коренным образом изменить все прогнозы о времени жизни подшипников. Также известно, что характеристики надежности станочного оборудования заметно отличаются в зависимости от сменности работы.

Но как сказанное должно влиять на выбор стратегии обслуживания? Для того, чтобы это решить, нам придется рассмотреть деление «случайных» отказов на два вида.

Первые – развивающиеся постепенно. Только к ним может быть применено понятие P-F кривой и стратегия ремонта по состоянию.

Вторые – внезапные. Кто-то назвал бы их «абсолютно случайными»: камушек, разбивший лобовое стекло; дерево, упавшее на провода; удар молнии или другие природные явления; чашка кофе, опрокинутая на ноутбук; змея или насекомые, замкнувшие высоковольтные провода; потеря данных при вирусной атаке или другой аварии в компьютерной сети.

Однако между ними нет абсолютной пропасти. «Абсолютно случайно» возникшие дефекты, не приведшие к внезапному отказу, могут стать причиной зарождения процесса, который приведет к отказу «первого рода». Есть и обратная ситуация, когда ослабленный компонент «добивают» «абсолютно случайные» внешние воздействия, без которых он мог бы проработать еще долго.

О выборе подхода к обслуживанию для «случайных» отказов

Х. Хансен [12] подчеркивает необходимость учета влияния на подход к обслуживанию не только вида паттернов отказов, но и характера их развития (см. рис. 7).

Рисунок 7 – Подход к ТОиР в зависимости от скорости деградации (внезапный или постепенный отказ) и вида паттерна отказа (зависящий от возраста или случайный)

Эта картинка из работы Хансена дает наглядное, хотя и упрощенное представление о выборе подхода к стратегии ТОиР (так, при выборе стратегий необходимо учитывать «третье измерение» – величину риска, в том числе его экономической составляющей).

То, о чем хотелось бы поспорить с Хансеном, – сама идея о том, что подход к обслуживанию – это исключительно выбор стратегии ТОиР. В связи с этим стоит обратить внимание на изменение взглядов на то, что в RCM не слишком удачно названо «разовыми преобразованиями» или «единичными действиями». Первоначально в диаграммах принятия решений «разовые преобразования» стояли на последнем месте, то есть рассматривались только в тех случаях, когда другие стратегии не были эффективны. Сегодня, практики подчеркивают, что именно такие меры (прежде всего те, которые направлены на повышение зрелости предприятия, повышение культуры труда и совершенствование процессов) могут дать наиболее существенные результаты.

Но алгоритмы RCM не дают ответа на вопрос, какие именно преобразования выбрать и в каких случаях. И здесь на помощь приходят идеи продвинутого «многослойного» анализа коренных причин (RCA – см. [13]).

Так, для внезапных случайных отказов по логике этого рисунка единственная стратегия – это ремонт по отказу (RTF). Но настолько ли все они «абсолютно случайны и неповторимы? На рис. 8 изображена частота повторений инцидентов в авиации (рисунок заимствован из [14]). В комментарии к этому рисунку отмечено:

«Результаты, обобщенные на рисунке, показывают повторяющийся характер многих инцидентов. В большинстве случаев опрошенные считали, что тип инцидента уже случался раньше, и почти во всех случаях опрошенные говорили, что инцидент может произойти снова».

И здесь мы видим бессмертное «Никогда не было – и вдруг опять…».

Рисунок 8 – Частота повторений двух видов инцидентов в авиации (летная годность и безопасность) (см. [14])

Так что потеря электропитания из-за дерева, упавшего на провода, и поломка оборудования вследствие неумелых действий недоученного пользователя, сбои в системах управления и даже потеря лобового стекла, разбитого камушком из-под колес впереди идущей машины, как правило, могут быть во многих случаях предупреждены, если задуматься об их коренных причинах и принять соответствующие проактивные меры.

Некоторые перспективы

Как было сказано, более четверти века назад, «вы думаете, что это корабль, а это компьютер; вы думаете, что это самолет, а это компьютер». Поэтому все большую долю случайных отказов будут занимать отказы систем управления и встроенного программного обеспечения, а также отказы, связанные с «человеческим фактором», и их сочетания. Все более важными становятся вопросы компьютерной безопасности – и не только в связи с преднамеренными вредоносными действиями. Еще на заре сложных компьютерных систем стал известным тезис: «дурак отличается от злоумышленника прежде всего тем, что нападает на более широком фронте – и менее предсказуемо».

И опять повторю в заключение: «вчера в самолете – завтра в трамвае». Придется всем занимающимся надежностью все чаще всматриваться в опыт отраслей, далеко ушедших вперед по дороге надежности – и пытаться не наступать на уже истоптанные ими грабли.

Санкт-Петербург, май 2025 года

Кац Б.А. Паттерны отказов – мифы и реалии // Трубопроводная арматура и оборудование. – 2025. – № 3 (138). – С. 54-58.

Список литературы

F. Stanley Nowlan, Howard Heap. Reliability-centered Maintenance. Dolby Access Press, 1978.
Кац Б.А. RCM и вокруг. Проблемы и решения, факты и мнения // ТПА. – 2024. – № 3 (132). – С. 60-63.
Кац Б. А. Созвездие имен. Об отцах-основателях RCM. Часть 1 // ТПА. – 2024. – № 1 (130). – С. 52-55. Часть 2 // ТПА. – 2024. – № 2 (131). – С. 56-59.
S9081-AB-GIB-010 REVISION 1. Reliability-Centered Maintenance (RCM) Handbook. US NAVY / Sea Systems Command, USA, 2007.
NASA Reliability Centered Maintenance Guide for Facilities and Collateral Equipment. (Feb-2000)
T. M. Allen. U.S. Navy of Submarine Maintenance Data and the Development of Age and Reliability Profiles, Department of Defense, USA, 2001.
Henrik V. J. Broberg, Inger A. M. Gustafson, S. G. Fredrik Sandin. Failure rate functions from test data, Military Electronics Laboratory (FTL), Stockholm, Sweden. Proceedings 1973 IEEE Annual Reliability Maintainability Symposium. 23-25 January, pp. 109-118.
Pokrovsky, Felix N. On reliability prediction by pattern classification. Proceedings 1972 IEEE Annual Reliability Maintainability Symposium. 23-25 January, pp. 367-375.
Anthony M. Smith (General Electric Company Philadelphia, Pennsylvania) and Thomas D. Matteson (United Air Lines, Inc.). The role of testing in achieving aerospace systems effectiveness. Proceedings 1973 IEEE Annual Reliability Maintainability Symposium. 23-25 January, pp. 37-41.
Биография Броберга в онлайн-энциклопедии https://wiki.naturalphilosophy.org/wiki/index.php?title=Henrik_Vilhelm_Broberg#bodyContent.
Jorge E. Núñez Mc Leod, Pedro Baziuk, Romina D. Calvo and Selva S. Rivera et. Al , World Congress on Engineering, U.K, 2015. Failure Profiles for Maintenance in Industrial Facilities.
Hansen, H. H. Predictive maintenance for power plants. Technical University of Denmark, 2024.
Латино М., Латино Р. Латино К. Анализ коренных причин (RCA). Изд-во Надежная книга, 2024.
Human factors in Airline Maintenance: A Study of Incident Reports (Canberra, Australia. Bureau of Air Safety Investigation, 1997).

Ассоциация EAM