قابليت اطمينان
مهندسي قابليت اطمينان، شاخهاي از مهندسي است كه در مورد جنبههاي مختلف قابليت اطمينان يك سيستم سر و كار دارد. در حالت كلي قابليت اطمينان يك سيستم بدين شرح بيان ميشود:
توانايي سيستم يا زيرسيستم براي انجام دادن صحيح ماموريت مشخص و پيش تعريف شده در شرايط معين و در دوره زماني مشخص،
كه اين معمولا در غالب تعدادي پارامتر احتمالاتي بيان ميشود.قابليت اطمينان داراي تعاريف مختلفي ميباشد:
· مناسب بودن وسيلهاي براي هدفي در زمان مشخصي
· ظرفيت سيستم يا وسيله براي انجام ماموريتي كه براي آن طراحي شده است.
· مقاومت سيستم يا وسيله در برابر شكست
· احتمال اين كه واحد در حال كار بتواند وظيفه مورد نظر را در بازه زماني مشخص به نحو احسن انجام دهد.
· توانايي سيستم براي شكست كم هزينه
تئوري قابليتاطمينان بر پايه چهار المان كليدي تعريف ميشود:
1. قابليتاطمينان همان احتمال است. اين بدين معني است كه شكست، تابعي از يك سري پديدههاي اتفاقي است. يعني نميتوان اطلاعات كاملي از نوع شكستها، دلايل شكست و رابطه بين شكستها بيان نمود بجز اينكه احتمال كلي وقوع شكست را بر اساس توابع احتمال، در يك دوره زماني پيشبيني كرد.
2. قابليتاطمينان بر اساس «كاركرد مورد انتظار» پيشبيني ميشود و كاركرد مورد انتظار يعني عملكرد بدون شكست سيستم. بايد در نظر داشت اگر هر كدام از قطعات و زير سيستمهاي مجزا دچار شكست نشوند دليل بر عدم شكست كل سيستم نخواهد بود.
3. قابليتاطمينان براي يك بازه زماني مشخص تعريف ميشود. اين بدين معني است كه سيستم يك فرصت مشخص براي عملكرد بدون شكست قبل از زمان t را دارا ميباشد. مهندسي قابليتاطمينان بايد از اين مطمئن شود كه قطعات و زير سيستمها برابر با نيازمنديهاي تعريف شده در بازه زماني معين عمل خواهند كرد. البته ممكن است به جاي واحد زمان از پارامترهاي ديگري نيز استفاده شود بطور مثال در صنعت خودروسازي از واحد كيلومتر طي شده، در صنايع نظامي تعداد شليك واحد آتش و در بعضي قطعات مكانيكي متحرك، تعداد سيكل عملكردي.
۴. قابليتاطمينان محدود ميشود به شرايط محيطي و عملكردي مشخص و اين قيود براي رسيدن به يك احتمال قابليتاطمينان لازم هستند زيرا عموماً نميتوان سيستمي را براي كاركرد در شرايط نامحدود طراحي نمود. بطور مثال كاوشگر مريخ قطعا شرايط و قيود عملكردي متفاوتي نسبت به يك خودروي شخصي خواهد داشت.
عوامل مؤثر بر قابليت اطمينانالف) طراحي : يكي از مسائل مهم در طراحي اين است كه هر چه تعداد عناصر و قطعات بکار رفته در يك سيستم بيشتر باشد ميزان قابليت اطمينان آن سيستم كاهش مي يابد . مثلا در سيستمی كه دارای 50 جزء (زير بخش ) می باشد كه قابليت اطمينان هر يك 95 % است و با يكديگر بصورت سري قرار گرفته اند. قابليت اطمينان كل سیستم عبارتست از:
R= 0.9550 = 0.08
البته اگر همين زيربخش ها با يكديگر موازي بودند (البته موازي نه از نظر مداري بلكه از نظر عملكرد ) آنگاه :
R = 1 - (1 - 0.95)50 ≈ 1
بنابراين چگونگي ارتباط منطقي عناصر و زير بخش ها با يكديگر در قابليت اطمينان كل مجموعه مؤثر است اما در مجموع مي توان گفت كه در طراحي بايد سعي کرد از قطعات كمتر استفاده كرده و در ضمن بگونه اي در كنار يكديگر قرار گيرند كه قابليت اطمينان بالا باشد. هنگام طراحي، پس از آنكه طرح تكميل شد بايد سيستم را مورد بررسي قرار داد و قطعات و بخش هايي را كه در قابليت اطمينان تأثير زيادي دارند شناسائي نمود و بر روي قابليت اطمينان آن ها كاركرد. مثلا اگر مشخص شود كه در سيستمي، يك قطعه طناب تأثير فوق العاده اي بر قابليت اطمينان كل مجموعه دارد، حتي اگر طناب با قطر 1cm كافي باشد مي توان قطر آن را cm2 انتخاب نمود تا قابليت اطمينان بالاتر باشد. البته در اين اطمينان كاري ها بايد به قيمت تمام شده سيستم نيز توجه كرد.
از آنجا كه خدمات پس از توليد و تعمير پارامتر مهمي در قابليت اطمينان قطعات و سيستم هاي قابل تعميراست، طراحي بايد بگونه اي باشد كه تعمير و خدمات پس از توليد آن براحتي صورت پذيرد. در طراحي مي توان بگونه اي عمل كرد كه سيستم طراحی شده در شرايط محيطي مختلف كار كند. گرچه قابليت اطمینان را براي شرايط مجاز محيطي محاسبه مي كنيم اما اگر بتوان طراحی را بگونه اي انجام داد كه سيستم تحت شرايط گوناگون محيطي و در محدوده وسيع تري از درجه حرات و رطوبت و سایر عوامل كاركند، طرح مطلوب تر خواهد بود. بنابراين بهتر است طراح، سيستم رادر برابر عوامل محيطي، حفاظت شده طراحي كند.
ب)توليد: فرآيند توليد، دومين عامل مهم تاثیرگذار در قابليت اطمينان محصول است. در فرآيند توليد بايد تكنيك هاي كنترل كيفيت بكار گرفته شود تا ريسك توليد و معايبي كه ضمن آن اتفاق مي افتد حداقل شود. بخصوص در طول توليد بايد به عناصري كه قابليت اطمينان پائين تري دارند و يا حساس تر هستند توجه بيشتري شود تا اشكالي در آن ها بوجود نيايد.
ج)حمل و نقل:حمل و نقل محصول توليد شده براي رساندن به مشتري (مصرف كننده) سومين عامل مهم در قابليت اطمينان است. در لحظه استفاده، قابليت اطمينان بستگي كامل به اين دارد كه محصول چگونه حمل شده و در هنگام حمل چگونه با آن رفتار شده است. بنابراين بسته بندي خوب و مناسب يكي از عوامل مؤثر درحفظ محصول هنگام حمل و نقل و در نتيجه قابليت اطمينان محصول در هنگام مصرف است.
د)خدمات و تعمير: گرچه يك سازنده سعي خود را بر اين مي گذارد كه محصول هيچ نقص و خرابی ای پيدا نكند امَا به هر حال درصدي از محصولات دچار عيب مي شوند و اشكالات گوناگون پيدا مي كنند. منظور از اين اشكالات و معايب، معايب ناشي از تمام شدن عمر مفيد يا فرسودگي نيست بلكه خرابي ناشي از 100% نبودن قابليت اطمينان است كه موجب مي شود قبل از اتمام مدت مقرر، برخي از محصولات دچار عيب شوند. بنابراين مهم است كه براي يك محصول، خدمات پس از فروش و خدمات تعمير وجود داشته باشد. براي قطعات تعمير پذير، تعمير يكي از عومل مؤثر در قابليت اطمينان است. مدت زمان صرف شده براي تعمير و كيفيت تعمير (اينكه پس از تعمير، ،سيستم يا قطعه مورد نظر، به چه ميزان به سيستم يا قطعه نو و استفاده نشده شبيه شده است) دو پارامتر اساسي در تعميراست. دقت كنيد كه تعمير يك سيستم يا قطعه با جايگزيني آن با يك قطعه يا سيستم نو تفاوت دارد.
طرح و برنامه(Program Plan) قابليتاطمينان: براي اينكه بتوان قابليتاطمينان يك سيستم را پيشبيني نمود بايد از روشها و ابزارهاي مختلف استفاده كرده و كارهاي متعددي انجام شوند. هر سيستمي بسته به نوع عملكرد و نيازمنديهاي تعريف شدهاش به يك سطحي از قابليتاطمينان نياز دارد. بطور مثال يك خط هوايي براي عملكرد مطلوب هواپيماهاي مسافرياش به سطح بسيار بالاي قابليتاطمينان در شرايط عملكردي گستردهاي نياز دارد زيرا در صورت بروز هر حادثهاي امكان وقوع فاجعه جبران ناپذير وجود دارد بنابراين هزينه بسيار زيادي براي رسيدن به بالاترين حد قابليتاطمينان صرف ميشود. ولي در عين حال يك مداد تراش با هزينه بسيار كمتر، بسيار قابل اطمينانتر از يك خط هوايي ميباشد زيرا شرايط عملكردي بسيار متفاوتتري دارد ضمن اينكه در صورت وقوع مشكل نيز خطري پيش نميآيد. مورد ديگر لزوم وجود طرح و برنامه دقيق براي مستندكردن وظايف، روشها، ابزارها، تحليلها و تستهاي مورد نياز يك سيستم مشخص، جهت رسيدن به سطح مورد نظر قابليتاطمينان ميباشد. داشتن يك طرح و برنامه مناسب براي رسيدن به قابليتاطمينان مورد نظر از همان آغاز طراحي و توسعه سيستم لازم و ضروري است. اين طرح و برنامه تنها وظايف مهندسين قابليتاطمينان را مشخص نميكند بلكه وظايف ديگران مشغول در پروژه را نيز شامل ميشود. طرح و برنامه قابليتاطمينان، در نهايت قبل از اجرا بايد توسط مدير پروژه تائيد و ابلاغ شود.
طراحي براي قابليتاطمينانطراحي براي قابليتاطمينان (DFR) يعني وارد كردن المانهايي به مرحله طراحي سيستم در راستاي تامين قابليتاطمينان آن. در واقع قابليتاطمينان بايد از مرحله طراحي وارد سيستم شود. قدم اول در DFR همان تنظيم ملزومات قابليتاطمينان است. در همان مرحله طراحي است كه ملزومات قابليتاطمينان با همكاري مهندسين طراح و مهندسين قابليتاطمينان در طراحي اجزا و اركان سيستم دخالت داده ميشوند.
استفاده از مدلهاي قابليتاطمينان در اين مرحله از ضروريات است. در اين راستا از بلوك دياگرامها و دياگرامهاي درختي عيوب جهت مدلسازي تصويري ارتباط بين اجزاي سيستم استفاده ميشود. از راه اين مدلسازيها و استفاده از اطلاعات آماري گذشته ميتوان در مرحله طراحي ميزان قابليتاطمينان و احتمال شكست در سيستم را پيشبيني نمود گرچه اين پيشبيني نميتواند خيلي قابل اتكا باشد ولي ميتواند براي درك تفاوت روشهاي مختلف طراحي مورد استفاده قرار گيرد.
يكي از روشهاي مهم و رايج بكار رفته در طراحي DFR استفاده از «افزونگي» ميباشد. يعني اگر يك قطعه يا زيرسيستم دچار شكست شد، قطعه يا زيرسيستم «آماده خدمت» يا «پشتيبان» وجود داشته باشد تا وارد عمل شده و از شكست كل سيستم جلوگيري نمايد. اين روش ميزان قابليتاطمينان را بطور چشمگيري افزايش ميدهد و در بعضي موارد تنها راهكار نيز ميباشد ولي در عين حال بسيار پرهزينه و مشكل است.
تكنيك ديگر بكار رفته در طراحي، توجه به فيزيك شكست ميباشد بطور مثال بررسي و تحليل روند فيزيكي شكست بر اثر اعمال تنش و بدست آوردن تغييرات كرنش قطعه در برابر تنش. در اين حالت ميتوان نواقص طراحي را بر طرف كرده و قابليتاطمينان سيستم را افزايش داد.
به همين ترتيب تعداد زيادي روشهاي مختلف براي وارد كردن مولفههاي قابليتاطمينان در طراحي وجود دارد:
تستهاي توكار (BIT) مود شكست و تحليل آثار شكست
مدل شبيهسازي قابليتاطمينان تحليل حرارتي
تحليل بلوك دياگرام قابليتاطمينان تحليل درخت عيوب
تحليل ويبول تحليل الكترومغناطيس
و بسياري روشهاي ديگر كه هر كدام در جايي و صنعت خاص خود، كاربرد دارند.
نكته بسيار مهم اين است كه ملزومات قابليتاطمينان تنها يك سري از ملزومات در طراحي، ساخت، توسعه و كاركرد يك سيستم ميباشند و بسياري ملزومات ديگر نيز وجود دارند كه طراحان پروژه بايد تعادل و تعاملي بهينه بين آنها برقرار نمايند.
تستهاي قابليتاطمينانهدف از انجام تست، شناخت مشكلات و عيوب سيستم است كه در مرحله طراحي و با وجود رعايت جوانب كار همچنن باقي ماندهاند تا بتوان با اصلاح طراحيها و رفع معايب، سيستم قابل اطمينانتري آماده نمود. تستهاي قابليتاطمينان را ميتوان در سطوح مختلفي انجام داد. سيستمهاي پيچيده و حساس بايد تعداد تستهاي زيادي را پشت سر بگذارند ولي سيستمهاي سادهتر كه از حساسيت كمتري نيز برخوردارند با تستهاي معموليتر و كم تعدادتري سنجيده ميشوند. در هر مرحله از انجام تستها، قابليتاطمينان سيستم سنجيده شده و در راستاي رفع عيوب گام برداشته ميشود و تستهاي بعدي انجام ميشود و به تدريج سطح قابليتاطمينان سيستم افزايش مييابد.
البته بايد توجه داشت كه تست يك سري سيستمها بدليل هزينه زياد، غير منطقي بوده و عملا غير ممكن است. بعضي مودهاي شكست به سالها زمان نياز دارند تا پيش بيايند و بعضي سيستمهاي يكبار مصرف نيز امكان تست، تحت شرايط عملكردي واقعي خود را ندارند چون تنها يك بار بيشتر عمل نخواهند كرد مانند فيوز انفجاري بمب يا موشك.
با توجه به اينكه قابليتاطمينان بر اساس احتمالات است حتي سيستمهاي بسيار مطمئن نيز فرصت شكست را خواهند داشت. به هر جهت تعريف نيازمنديهاي تست قابليتاطمينان به دلايل متعدد، پيچيده و دشوار ميباشد. اگر تنها يك تست انجام شود اطلاعات آماري كمي بدست ميآيد و در عين حال انجام چندين تست يا تكرار يك تست در بازههاي زماني مختلف نيز بسيار پرهزينه خواهد بود. بعضي تستها نيز عملا امكان انجام ندارند بخصوص در سيستمهاي يكبار مصرف. بنابراين مهندسي قابليتاطمينان وظيفه سنگيني در راستاي تعريف برنامههاي تست مناسب جهت رسيدن به اهداف مورد نظر خواهد داشت. تستهاي قابليتاطمينان در سطوح مختلفي از قطعات و زير سيستمها تا كل سيستم انجام ميشوند.
پارامترهاي قابليتاطمينان سيستمبراي تعريف ملزومات قابليتاطمينان نياز به تعدادي پارمترهاي قابليتاطمينان ميباشد. يكي از پارامترهاي بسيار رايج قابليتاطمينان، زمان متوسط بين شكستها (MTBF) ميباشد كه ميتواند با نرخ شكست يا تعداد دفعات شكست در بازه زماني مشخص نيز جايگزين شود. اگر MTBF افزايش يابد در واقع قابليتاطمينان سيستم افزايش يافته است. پارامتر MTBF غالبا در واحد ساعت تعريف ميشود ولي ميتواند در بعضي موارد با واحدهايي مثل سيكل، كيلومتر طي شده و... بيان شود.
همانطور كه پيش از اين بيان شد يكي از تعاريف قابليتاطمينان ميتواند احتمال موفقيت ماموريت تعريف شود. از اين ديدگاه يكي از موارد خاص، سيستمها يا وسايل يكبار مصرف هستند كه براي انجام يكباره ماموريتي خاص در يك بازه زماني و شرايط مشخص تعيين شدهاند. اين سيستمها بعد از ساخته شدن تا زمان آغاز ماموريت خود ساكن بوده و به يكباره در زمان مشخص فعاليت خود را براي انجام وظيفه خود شروع مينمايند. يك مثال ساده اين گونه سيستمها، سيستم ايربگ خودرو و يك مثال پيچيدهتر، سيستم هدايت و كنترل يك موشك يا بمب هدايتپذير ميباشد. در اينگونه سيستمهاي يكبار مصرف، قابليتاطمينان نه با MTBF كه با احتمال موفقيت انجام ماموريت تعريف ميشود.
ملزومات قابليتاطمينانبراي هر سيستمي و در هر پروژهاي، اولين قدم در مهندسي قابليتاطمينان، مشخص كردن ملزومات قابليتاطمينان آن ميباشد.مهندسي قابليتاطمينان بايد ملزومات وظايفي كه در راستاي تامين قابليتاطمينان سيستم انجام ميگيرند، مستندسازي مراحل طراحي و توسعه سيستم، تستها، توليد و عملكرد را مشخص نمايد. وظايف قابليتاطمينان شامل انواع تحليلها، برنامهريزيها و گزارشات شكستها ميباشد. انتخاب نوع وظايف و سطح كارهاي مورد نظر كاملا بستگي به اهميت سيستم، نوع كاركرد آن و هزينههاي تعريف شده دارد. سيستمهاي مهم احتياج به گزارشات رسمي شكست داشته تا در مراحل بعدي توسعه بكار رود. در حالي كه سيستمهاي كم اهميتتر ميتوانند به گزارشات تستهاي نهايي اكتفا نمايند. بطور كلي اهم وظايف و برنامههاي رايج قابليتاطمينان بصورت مستند در استانداردهاي حوزههاي مختلف تدوين شدهاند.