Appunti system reliability, dependability and safety - parte 1

Design for Reliability (DfR)

Per studiare i dati di a+idabilità di un sistema ci possiamo concentrare sui parametri RAMS,

Reliability, Availability, Maintanability, Safety, questi sono legati fra loro e sono importanti da

studiare poiché descrivono qualsiasi sistema, e perché servono per garantire al cliente la vita

utile del prodotto attraverso l’analisi dei parametri di guasto.

Lo studio dei parametri RAMS è importante perché serve a garantire un Design for Reliability

(DfR) che si concretizza quindi in:

- Riduzione dei tempi di miglioramento del prodotto, perché permette di agire sul

problema in fase di ricerca e sviluppo/prototipazione.

- Comparazione di più soluzioni possibili, eseguendo analisi costi/benefici.

- Validazione delle scelte di progetto.

- Raggiungimento dei target di a+idabilità (rispettare la vita utile dichiarata).

- Garanzia di disponibilità di sicurezza.

Il DfR si suddivide nei seguenti step:

Step 1 conoscere i parametri di a+idabilità

à

Step 2 usare correttamente i componenti adeguati. si relazionano le parti del sistema in

à

base alla funzione che devo realizzare e si individuano i componenti su cui posso fare

derating, cioè l’eventuale sottoutilizzo rispetto alle condizioni di funzionamento nominale di

un componente per aumentarne la vita utile.

Step 3 usare di tecniche di progettazione appropriate.

à

- Semplificazione del progetto: semplificare dove possibile; avere più componenti

significa avere una maggiore probabilità di guasto; quindi, più possibilità che il sistema

fallisca.

- Ridondanza: in contrasto con la semplificazione, consiste nell’utilizzare componenti

ridondanti, cioè più componenti del necessario. Ad esempio, mettendo più

componenti con la stessa funzione in parallelo, se uno si guasta, il sistema non si

ferma perché rimangono gli altri.

- Tecniche di protezione: utilizzo dell’analisi del rischio, attraverso la valutazione del

rischio si individuano i componenti più deboli.

Step 4 progettare per minimizzare gli e+etti dell’ambiente esterno, quando si pensa un

à

prodotto è importantissimo pensare anche alla sua interazione con l’ambiente e con chi lo

uso. Quindi si dovrà calcolare l’a+idabilità dell’essere umano (non banale) e dei fattori di

software (sempre presenti in un sistema complesso) spesso provenienti dal campo, ad

esempio i bug delle applicazioni quando vanno ad interfacciarsi con i sistemi operativi dei

dispositivi in cui sono installate.

I fattori esterni possono essere, ad esempio, temperatura, rumore, vibrazioni, umidità. È

necessario considerare questi aspetti già in fase di progettazione.

Step 5 evitare i guasti attraverso una manutenzione programmata.

à

Perché la manutenzione è importante? Per evitare perdite di disponibilità e di tempo. È

necessario pianificare una manutenzione periodica (preventiva) per evitare guasti. In

alternativa si può intervenire con la riparazione dopo il guasto, ma in questo caso si perde

tempo, cioè il sistema si ferma, questo tipo di manutenzione va evitato.

Step 6 ognuno di questi step si conclude con una revisione di ciò che è stato progettato.

à Alla fine di tutto ci chiediamo se gli obiettivi di

a+idabilità sono stati raggiunti e se la risposta

è positiva si procede alla fase di

prototipazione e poi produzione, se è negativa

si ripetono ciclicamente gli step finché non si

raggiungono tutte le caratteristiche prefissate.

Termini e definizioni

Qualità

Qualità: grado in cui un insieme di caratteristiche intrinseche soddisfa i requisiti.

In queste caratteristiche intrinseche ci sono anche i parametri RAMS, che sono di tipo

temporali.

Nel suo ciclo di vita ogni prodotto (inteso come servizio, sistema, impianto) deve avere le

seguenti caratteristiche:

- Possedere la capacità tecnica di svolgere ciò che è richiesto.

- Mantenere nel tempo la propria capacità tecnica (in uno specifico intervallo

temporale).

- Essere disponibile all’uso quando la sua funzione è richiesta.

Le caratteristiche sono poi tradotte in prestazioni misurabili:

- Conformità: rispondenza dei parametri funzionali (prestazioni) ai valori prestabiliti

(specifiche).

- ACidabilità: attitudine di un’entità a svolgere la funzione richiesta in condizioni date

per un dato intervallo di tempo.

- Manutenibilità: attitudine di un’entità ad essere manutenuta o riportata in uno stato

nel quale può svolgere la funzione richiesta. Entra in gioco la possibilità di riparare un

oggetto quindi in fase di progettazione è necessario pensare anche a come possa

essere riportato un oggetto, non solo come costruirlo.

- Disponibilità: attitudine di un’entità ad essere in grado di svolgere la funzione

richiesta, in determinate condizioni, supponendo che siano assicurati i mezzi sterni

eventualmente necessari. È un’estensione del concetto di a+idabilità che la lega alla

manutenibilità: i mezzi esterni rendono il sistema disponibile anche quando si

presenta un guasto.

- Sicurezza: assenza di rischi inaccettabili.

Definizioni

- Guasto (Failure) cessazione della capacità di un’entità di svolgere la funzione

à

richiesta.

- Tempo al guasto (TTF – Time to Failure) durata totale del tempo di funzionamento

à

di un’entità, dal momento in cui entra per la prima volta in uno stato disponibile fino al

guasto, oppure dal momento in cui viene ripristinata fino al guasto successivo.

- Tempo medio al guasto (MTTF – Mean Time to Failure) valore atteso del tempo al

à

guasto.

- Tempo di funzionamento tra guasti durata complessiva del tempo operativo tra

à

due guasti consecutivi di un’entità riparabile.

- Tempo medio di funzionamento tra guasti (MTBF – Mean Time Between Failures) à

valore atteso del tempo di funzionamento tra guasti.

- Tempo di ripristino (Time to Recovery) intervallo di tempo durante il quale l’entità

à

si trova in uno stato non disponibile a causa di un guasto.

- Tempo medio di ripristino (MTTR – Mean Time to Recovery) valore atteso del

à

tempo necessario per il ripristino.

MTTR sta per Mean Time To Recovery ma anche per Mean Time To Repair e sono due tempi

diversi: il primo è il ripristino complessivo, da quando il dispositivo ha presentato un guasto

fino a quando il dispositivo è nuovamente operativo, dentro si ha il secondo con cui si intende

solo il tempo di riparazione e+ettivo; nel ripristino quindi si ha in più il tempo di individuazione

del guasto e di approvvigionamento delle scorte, è un tempo più lungo, il dispositivo perde in

disponibilità.

Rischio: è la combinazione di due elementi cioè la probabilità di accadimento di un certo

evento e la gravità del danno che comporta l verificarsi di questo evento.

Dependability – Fidatezza

La fidatezza è l’attitudine a erogare le prestazioni come e quando richiesto. In questa frase si

riassume tutti i concetti visti finora: lega l’a+idabilità e la disponibilità. La fidatezza

comprende la disponibilità, l’a+idabilità, la manutenibilità e il supporto di manutenzione

(RAMS) e, in alcuni casi, altre caratteristiche quali la durabilità, la sicurezza e la protezione. Io

voglio che il mio sistema eroghi le prestazioni nel tempo, ma voglio che le esegua anche

quando voglio, quindi il concetto legato alla disponibilità, la fidatezza riassume tutto questo.

Misure di A7idabilità e Disponibilità

Per determinare le prestazioni di a+idabilità e di disponibilità ci sono due approcci possibili:

- Approccio sperimentale: che prevede prove di laboratorio e l’analisi dei risultati di

queste.

A partire dal componente, si eseguono le prove di a+idabilità con le necessarie risorse

umane specializzate, i macchinari adatti e seguendo i riferimenti normativi per poi

trarne modelli matematici ed i parametri statistici (MTTF, MTBF…).

- Approccio analitico-previsionale: con un software si studiano i dati di campo e si

creano dei modelli di previsione dei parametri.

Si utilizzano anche banche di dati di a+idabilità, come MIL-HDBK-217, modelli e

strumenti per la valutazione della disponibilità, ecc.

Entrambi gli approcci sono usati perché quello previsionale si basa su un modello, che quindi

ha dei limiti nel rappresentare la realtà, mentre le prove sperimentali sono più attendibili ma

sono più dispendiose (tempi e costi): si cerca di sfruttare l’approccio analitico in fase di

progettazione per evitare di avere troppi problemi quando si andrà a testare il prototipo, in

ogni caso, i test sperimentali si eseguono sempre, per avere una conferma, i due approcci si

completano.

Modelli matematici e parametri

Legge fondamentale dell’a+idabilità:

da tale legge si dice che l’a+idabilità è funzione del tempo

=numero

e dipende anche dal tasso di guasto

guasti/unità di tempo.

Questa funzione assume il valore massimo per t=0 e poi decresce in modo esponenziale. Il

tasso di guasto è espresso in [h^-1].

Bath-tub curve

Mostra l’andamento del tasso di guasto nel tempo.

I guasti, quindi il tasso di guasto, sono dovuti da difetti di produzione (curva verde), usura dei

componenti (curva blu), e guasti casuali (retta rossa). Da queste tre curve si ottiene quindi la

curva vasca da bagno (curva rossa) che indica il tasso di guasto nel tempo.

Questo grafico è diviso in tre sezioni, cioè:

- Mortalità infantile: la mortalità infantile è legata agli errori di produzione e difetti di

fabbricazione. Sono guasti attribuibili a debolezze intrinseche al dispositivo, le cui

cause sono normalmente identificabili nel processo produttivo, che si manifestano

durante il primo periodo di funzionamento. Il tasso ti guasto decresce perché se il

componente è difettoso è molto probabile che si rompa subito, o che venga notato

come difettoso.

- Vita utile: nella vita utile rimane solo la componente di guasti casuali, assunti come

costanti poiché appunto non sono dovuti a motivi particolari ma a fattori

incontrollabili, ma non sono mai uguali a zero. Hanno occorrenza indipendente dal

tempo.

- Usura: in questa zona la curva riaumenta a causa dei guasti di usura dovuti alla fine

della vita dei componenti. Sono generati da fenomeni chimico-fisico di degrado,

caratterizzati da una probabilità di occorrenza che aumenta nel tempo.

I guasti durante la garanzia, quindi nella zona di mortalità infantile, rappresentano dei costi

per il produttore. Si può ridurre la zona di mortalità infantile attraverso le prove di stress

screening, che sono prove di setacciatura, ne distruttive ne campionarie. Ovviamente anche

questo comporta dei costi.

I guasti da usura possono essere migliorati con una manutenzione periodica, sempre

preferibile quando possibile.

Tasso di guasto dei software

L’a+idabilità del software è strettamente legata al testing, si scrive il codice, si testa e

debugga e si mette in funzione.

questo tasso di guasto non è molto realistico.

Questa è una rappresentazione più realistica

del tasso di guasto di un software. Il tasso di

guasto è massimo all’inizio, e decresce con il

testing. Durante la vita utile del software,

questo viene aggiornato regolarmente, e dopo

ogni aggiornamento il tasso di guasto

aumenta, e poi decresce nuovamente con il

testing di quell’aggiornamento, fino

all’aggiornamento successivo. Non si ha più la zona di usura, ma di obsolescenza, in cui il

tasso di guasto è costante perché il software non viene più aggiornato.

Tasso di guasto costante

Il tasso di guasto costante è un’ipotesi spesso sfruttata.

() = ,

Fissato se si sostituisce nella legge

fondamentale dell’a+idabilità:

!"#

() =

ottengo che l’a+idabilità è costante: quindi

l’a+idabilità nella zona di vita utile parte da 1 e

decresce esponenzialmente all’infinito in

funzione del tempo.

Confrontando l’andamento tra due tassi di

<

guasto costanti, , sarà più a+idabile

$ %

quello con il tasso di guasto minore, cioè .

$

L’ipotesi di guasto costante viene usata perché semplifica i calcoli.

Parametri statistici di disponibilità

Entità non riparabili +∞.

Tempo medio al guasto (MTTF): area sottesa alla curva dell’a+idabilità tra 0 e

Considerando il tempo al guasto t come una variabile casuale continua con densit&a