Mat-2.118 Luotettavuustekniikka (2,5 ov) L

Mat-2.118 Luotettavuustekniikka (2,5 ov) L • Luennot: Luennoidaan syksyllä 2005. Luennoidaan vuorovuosina Mat-2.117 opintojakson kanssa. Luennot tiistaisin 14-16 salissa Y429A, ensimmäinen luento 13.9.2005. • Harjoitukset: Tiistaisin 16 -18 salissa Y429A. • Opettaja: Dos. Urho Pulkkinen, VTT Tuotteet ja tuotanto, puh: 09-456 6468, gsm: 040-552 9735, e-mail: urho.pulkkinen@vtt.fi • Vastaanotto: Luentojen yhteydessä.

Assistentti: Sampsa Ruutu, gsm 050-351 0723, e-mail: sruutu@cc.hut.fi Sisältö: Järjestelmien luotettavuusanalyysin perusteet, monimutkaisten järjestelmien analyyseissä käytettävät menetelmät, rakennefunktiot, Markov-mallit, luotettavuusdatan käsittely. Kirjallisuus: Höyland, A., Rausand., M.: System Reliability Theory. Models and statistical methods. Wiley, 1994 (kurssin sisältö löytyy luvuista 2-6, 9, 11), luentokalvot ja laskuharjoitukset. Kopio kirjasta löytyy matematiikan kirjaston lukusalista (U360b), josta sen voi lainata lyhyeksi ajaksi. Esitiedot: Mat-2.090 tai Mat-2.091 ja Mat-2.104 Tentit: Ilmoitetaan myöhemmin

Opintojakson tavoitteet • luotettavuuskäsitteiden omaksuminen • luotettavuustekniikan kvantitatiivisten ja kvalitatiivisten menetelmien tuntemus • luotettavuustekniikassa tarvittavien matemaattisten työkalujen omaksuminen • yksinkertaisten luotettavuusongelemien ratkaisuvalmiuden saavuttaminen • luotettavuustekniikan sovellusmahdollisuuksien tuntemus

Opintojakson sisältö ja arvioitu aikataulu

Luotettavuustekniikan historiaa • alkuajat, … 1920-luku: • yksittäisiä ”luotettavuustarkasteluja”, lentokoneet, • LUOTETTAVUUS ~ mekaaninen kestävyys, ”järjestelmä yhtäluotettava kuin sen heikoin osa” • 1930-luku: • tilastollinen laadunvalonta, valvontakortti. Pyrkimysyksittäisten komponenttien virheettömyyteen. • 1940-luku: • sotatekniset tarkastelut, V1-, V2-ohjukset Saksassa; • todennäköisyysperustainen luotettavuustarkastelu, • LUOTETTAVUUS ~ todennäköisyys, että kohde toimii halutulla tavalla halutuissa olosuhteissa

Luotettavuustekniikan historiaa • 1940-luku: • Robert Lusser: ”sarjajärjestelmän luotettavuus on osien luotettavuuksien tulo” => järjestelmän luotettavuus on pienenpi kuin sen heikoimman osan luotettavuus • 1950- ja 1960-luvut: • huollettavuustarkastelut sotateknisissä järjestelmissä; Korean sodan aikaan huomattiin, että huollettavuuskustannukset ovat merkittäviä • ensimmäiset yritykset arvioida inhimillisten tekijöiden vaikutusta luotettavuuteen (ydinsukellusveneet, Swain) • laajojen järjestelmien (ohjukset, avaruustekniset järjestelmät, tietokoneet) luotettavuusanalyysin menetelmät • vikapuuanalyysi (Bell Laboratories)

Luotettavuustekniikan historiaa • 1950- ja 1960-luvut: • ensimmäinen luotettavuusalan lehti: IEEE Transactions on Reliability • alan ensimmäiset perusoppikirjat (Barlow - Proschan) • ensimmäiset yritykset tehdä laajoja riskianalyyseja (WASH-740) • 1970-luku: • ydinvoimalaitosten riskianalyysi, WASH-1400 • Suomeen perustettiin KTM:n luotettavuusryhmä • kemiallisen teollisuuden riskianalyyseja • merkittäviä onnettomuuksia

Luotettavuustekniikan historiaa • 1980- ja 1990-luvut: • öljyteollisuuden riskianalyysit • ydinvoimateollisuudessa riskianalyysista vakiintunut menettelytapa • tehokkaita tietokoneohjemia luotettavuusanalyysia vartena • riskitietoisen päätöksentekotavan omaksuminen • ”elävät riskianalyysit” • ohjelmistojen luotettavuusanalyysit • luotettavuusanalyysit tuotekehittelyssä • 2000 • uudenlaiset toimintakonseptit aiheuttavat kehitystarvetta (esim. kunnossapidon ulkoistaminen, koneiden etäkäyttö jne.)

Miksi luotettavuusanalyysia ja -tekniikkaa tarvitaan? • monimutkaistuneet tekniset järjestelmät • järjestelmien häiriintymisestä johtuvat riskit • viranomaisvaatimukset (Seveso-direktiivi, ydinvoimalaitosten riskianalyysivaatimukset, jne.) • tuoteturvallisuus • luotettavuustakuut • keskeytysvakuutukset • jne.

Peruskäsitteitä • Dependability ~ luotettavuus: yleiskäsite • Käyttövarmuus/käytettävyys ~ Availability • Toimintavarmuus/(luotettavuus) ~ reliability • Kunnossapidettävyys/huollettavuus ~maintainability • Riski ~ arvon menettämisen mahdollisuus • Turvallisuus ~ vapaus menetyksiä aiheuttavista olosuhteista • Security ~ suojattavuus

Peruskäsitteitä KÄYTTÖVARMUUSKÄSITTEIDEN HIERARKIA

Käyttövarmuuden mittoja • KÄYTTÖVARMUUDEN MITAT • TOIMINTAVARMUUS • vikataajuus , [h-1] • MTTF = mean time to failure, [h] • toimintatodennäköisyys, tn. että kohde toimii tietyn aikavälin vikaantumatta • HUOLLETTAVUUS • keskimääräinen korjausaika, a, MTTR, [h]

Käyttövarmuuden mittoja • KÄYTTÖVARMUUDEN MITAT • KÄYTTÖVARMUUS • kaytettävyys; todennäköisyys, että kohde on toimintakykyinen tarkasteluhetkellä, A • epäkäytettävyys U = 1 - A • U = *a = MTTR/(MTTF+MTTR) • U = osuus ajasta, jonka kohde on epäkäytettävä • em. mitat on standardoitu • jatkossa mitoille annetaan todennäköisyystulkinta

Luotettavuustekniikan sovellusalueita • todennäköisyysperustainen turvallisuus/riskianalyysi • käyttövarmuusanalyysi • käyttövarmuussuunnittelu • kunnossapidon ja käytön optimointi • ympäristönsuojelu • laadunarviointi

Luotettavuustekniikan osa-alueita • luotettavuusteoria = todennäköisyyslaskentaan perustuva luotettavuusanalyysin matemaattinen teoria • komponenttien ja järjestelmien luotettavuusanalyysi • rakenteellinen luotettavuusanalyysi • inhimillisten tekijöiden luotettavuus • ohjelmistojen luotettavuusanalyysi

Luotettavuustekniikka Suomessa • VTT Automaatio; Teollisuusautomaation ja rieskienhallinnan tutkimusalueet • voimayhtiöt • turvallisuusviranomaiset (STUK, TTK) • vakuutusyhtiöt • konsulttitoimistot (RAMSE, yksittäiset konsultit) • Teknilliset korkeakoulut (HTKK, TTKK, LTKK)

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä • komponettien ja järjestelmien vikaantumishetkeä ei voida ennustaa tarkasti etukäteen • vikaantumishavainnot noudattavat tilastollisia lainalaisuuksia • todennäköisyyslaskenta on luonnollinen satunnaisten vikaantumisilmiöiden kuvaustapa • todennäköisyysmalleja on tulkittava eri tavalla kuin deterministisiä malleja: • todennäköisyys on epävarmuuden malli • todennäköisyyden tulkinnat: onko todennäköisyys luonnon vai havaitsijalla olevan tiedon ominaisuus?

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA: • aika kohteen käyttöönotosta vikaantumiseen, T • koska kyseistä aikaa ei tunneta tarkasti etukäteen, otetaan käyttöön TODENNÄKÖISYYSMALLI: elin- tai vikaantumisaika on ei-negatiivinen satunnaismuuttuja, T, • aikaa voidaan mitata useilla eri yksiköillä • kalenteriaika • kohteen käyttöaika • ajettujen kilometrien määrä • käyttökertojen lukumäärä • jne.

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA: • kohteen tilaa voidaan kuvata myös tilamuttujalla: • käyttöönotto hetkellä t = 0

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA:

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA: • satunnaismuuttujaa luonnehditaan TODENNÄKÖISYYSJAKAUMALLA • nyt puhutaan ELINAIKAJAKAUMASTA tai VIKAANTUMISAJAN JAKAUMASTA • kertymäfunktio: • tiheysfunktio, f(t):

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • monesti ollaan kiinnostuneita arvioimaan millä todennäköisyydellä uutena (hetkellä t = 0) käyttöön otettu kohde toimii vielä hetkellä t > 0 • kyseinen todennäköisyys voidaan arvioida vikaantumisajan jakauman avulla: • R(t) = TOIMINTATODENNÄKÖISYYS, engl. RELIABILITY tai SURVIVABILITY

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • VIOITTUVUUS- l. HASARDIFUNKTIO: • z(t) = f(t)/R(t) on ns. vioittuvuus l. hasardi funktio

Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä; vikaantumismallit • toimintatodennäköisyys voidaan aina määritellä yksikäsitteisesti vioittuvuusfunktion avulla:

Mat-2.118 Luotettavuustekniikka (2,5 ov) L