Porównanie kompleksowych pakietów oprogramowania do prowadzenia wieloaspektowej analizy niezawodności okrętowych systemów technicznych

Transkrypt

1 Porównanie kompleksowych pakietów oprogramowania do prowadzenia wieloaspektowej analizy niezawodności okrętowych systemów technicznych Leszek Chybowski Szczecin,

2 1. Wstęp W dobie konieczności prowadzenia ilościowych i jakościowych analiz niezawodności, gotowości, obsługiwalności oraz bezpieczeństwa wysoce złożonych systemów technicznych (w tym systemów okrętowych) często o zmiennej strukturze funkcjonalnej i niezawodnościowej, koniecznym staje się wykorzystanie komputerowych narzędzi wspomagających te obliczenia. Pozwala to na znaczne skrócenie procesu analiz zarówno w fazie modelowania jak i prowadzenia obliczeń. Programy komputerowe wspierające te analizy znajdują zastosowanie zwłaszcza dla systemów technicznych zbudowanych z złożonych modeli opisujących elementy lub grupy elementów systemu. W niniejszym materiale przedstawiono zestawienie i charakterystykę najbardziej popularnych pakietów programowych mogących znaleźć zastosowanie w analizach systemów okrętowych. Przegląd dokonany był przed właściwymi analizami niezawodności okrętowych systemów technicznych przeprowadzonych przez autora i opisany wstępnie w [1, 2, 3]. Na rynku dostępna jest grupa narzędzi komputerowych pozwalających na wsparcie prowadzenia procesu szeroko pojętych analiz niezawodnościowych począwszy od wstępnego szacowania niezawodności poprzez symulacje procesu eksploatacji i obsług, a skończywszy na optymalizacji systemów pod kątem bezpieczeństwa i niezawodności. W materiale przedstawiono najważniejsze cechy pakietów dla komputerowego wspomagania analizy niezawodnościowej, opracowanych przez firmy Isograph Ltd, Item Software, Relex Software, ReliaSoft, Sydvest Software. Wybierając programy po prezentacji w artykule kierowano się wysoką pozycją na rynku poszczególnych twórców oprogramowania oraz podobnym kompleksowym ujęciem analiz tj. możliwość budowy różnych modeli oraz dostępność bibliotek niezawodności elementów opracowanych w oparciu o aktualnie przyjęte i stosowane normy lokalne i międzynarodowe. Wszystkie opisywane pakiety pracują w środowisku systemu operacyjnego Microsoft Windows 9x, 2000, NT i XP nie rozpatrzono oprogramowania dla innych systemów operacyjnych z uwagi na rozpowszechnienie systemów firmy Microsoft i dużą ilość oprogramowania dla tego środowiska dostępną na rynku. Przyjęto alfabetyczna kolejność prezentowanych pakietów oprogramowania. Oczywiście poza opisanymi w materiale pakietami istnieją inne równie przydatne narzędzia obliczeniowe zarówno przytoczonych jak i innych producentów oprogramowania, które nie zostały tutaj przedstawione z uwagi na możliwości techniczne i ograniczony rozmiar publikacji. Informacje o innych pakietach dla komputerowego wspomagania analizy niezawodnościowej można znaleźć m.in. w [9]. 2. Pakiet Reliability Workbench firmy Isograph Ltd Jednym z najbardziej znanych pakietów programowych wspierających analizę niezawodności i bezpieczeństwa jest pakiet Reliability Workbench (pol. Warsztat Niezawodnościowy) angielskiej firmy Isograph Ltd [4, 10]. Warsztat składa się z dziewięciu modułów, które można zakupić w całości lub tylko wybrane części, wówczas wykorzystuje się tylko wybrane moduły w zależności od potrzeb analizy. W skład pełnego pakietu wchodzą: FaultTree+ interaktywne graficzne środowisko analityczne dla prowadzenia probabilistycznej oceny ryzyka z wykorzystaniem zintegrowanej analizy drzewa niezdatności i drzewa zdarzeń oraz analizy opartej na procesach oraz łańcuchach Markowa. Pakiet Program pozwala na budowanie bazy danych opartej na danych ogólnych i tabelach zdarzeń, budowanie wielowierzchołkowych drzew niezdatności, budowanie odwzorowań różnych zdarzeń inicjujących w postaci drzew niezdatności oraz 2

3 automatyczne numerowanie zdarzeń w drzewach niezdatności i drzewach zdarzeń. Analiza różnych miar niezawodnościowych wsparta jest wykorzystaniem różnych modeli opisujących proces uszkadzania i napraw elementów (model stałego prawdopodobieństwa, element wyłączony, wymuszenie sekwencyjne, element rezerwowy, binominalny, Poissona itd.) oraz szeregu operatorów logicznych (AND, PAND, OR, EXOR, NOT, k-z-n). Przykładowy model drzewa niezdatności w FaultTree+ pokazano na rys. 1. Rys. 1. Okno FaultTree+, obszar do modelowania drzewa niezdatności systemu [4] Zdarzenia szczytowe w drzewie niezdatności mogą odpowiadać określonym węzłom w drzewie zdarzeń. Przykładowy model drzewa zdarzeń zbudowanego w FaultTree+ dla analizy ryzyka w eksploatacji określonego systemu technicznego przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Okno FaultTree+, obszar do modelowania drzewa zdarzeń systemu [4] Wielowierzchołkowe drzewa mogą pozwalać na modelowanie częściowych stanów zdatności. FaultTree+ pozwala na analizę zdarzeń o wspólnej przyczynie CCF (możliwość definiowania tabel definiujących zdarzenia o wspólnej przyczynie CCF i tabel 3

4 konsekwencji) oraz analizę ważności i niepewności i wyznaczanie przekrojów minimalnych systemu, a także na modelowanie przejść stanów systemu i analizę współzależności pomiędzy uszkodzeniami z wykorzystaniem modeli Markowa. Przykład modelu Markowa zbudowanego w programie FaultTree+ pokazano na rys. 3. Rys. 3. Okno FaultTree+, obszar do modelowania przejść stanów w analizie Markowa [4] RBD analiza systemów przedstawionych w postaci blokowej struktury niezawodnościowej (blokowy schemat niezawodnościowy). Narzędzie RBD pozwala na analizę złożonych systemów technicznych pod kątem wyznaczenia przekrojów minimalnych systemu oraz oszacowania podstawowych miar niezawodnościowych, w tym: niegotowości, niezawodności, oczekiwanej liczby uszkodzeń systemu, a także analizy ważności zdarzeń i analizy systemu z wprowadzonym zdarzeniem zewnętrznym (house event analysis). Przykład modelu struktury niezawodnościowej systemu w postaci schematu blokowego zbudowanego w programie RBD przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Okno RBD, obszar do modelowania struktury niezawodnościowej systemu w postaci schematu blokowego [4] FMECA program do prowadzenia analiz rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności. Narzędzie pozwala na zminimalizowanie czasu i uproszczenie procedury sporządzania raportów FMECA lub FMEA dla instalacji procesowych i dla nowych 4

5 projektów. Program umożliwia zamodelowanie hierarchicznej struktury systemu i szybkie zbudowanie tablicy przyczyn i skutków niezdatności z wykorzystaniem rozbudowanego i jednocześnie ergonomicznego interfejsu. Moduł FMECA pozwala na zbudowanie profesjonalnej dokumentacji dla potrzeb analizy bezpieczeństwa eksploatacji systemu. Przykładowa analiza rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności systemu opracowywany z wykorzystaniem programu FMECA zaprezentowano na rys. 5. Rys. 5. Okno FMECA, efekt końcowy analizy dla przykładowego modelu systemu komputerowego [4] MTTR program do prognozowania obsługiwalnosci systemów. Przykładowa biblioteka zadań obsługowych oraz projekt analizy obsługiwalności systemu opracowany zgodnie z normą MIL-HDBK wykonany z wykorzystaniem oprogramowania firmy Isograph Ltd zaprezentowano na rys. 6. Rys. 6. Okno modułu analizy obsługiwalności systemu pakietu firmy Isograph Ltd. [4] Moduł analizy obsługiwalności pozwala na zdefiniowanie prac obsługowych w systemie i przypisanie tych prac do określonych wymienialnych (naprawialnych) elementów systemu. Poszczególne prace obsługowe zostały skategoryzowane na: prace 1 MIL-HDBK-217 Military Handbook. Reliability prediction of electronic equipment. US Department of Defense 1991 wraz z późniejszymi zmianami: MIL-HDBK-217 F Notice i MIL-HDBK-217 F Notice

6 przygotowawcze (preparation), identyfikacja niezdatności (fault isolation), demontaż (disassembly), wymiana (interchange), ponowny montaż (reassembly), dopasowywanie (alignment), kontrola po naprawie (checkout), ponowne uruchomienie (start up). Program pozwala na oszacowanie wartości średniego czasu do naprawy (MTTR mean time to repair) systemu lub podsystemu zgodnie z wymaganymi standardami (MIL-HDBK ). Oprócz wymienionych narzędzi oprogramowanie firmy Isograph Ltd zawiera pięć modułów (prediction modules) z bibliotekami do prognozowania niezawodności, w tym dane o intensywności uszkodzeń dla elementów elektronicznych wg standardu MIL- HDBK-217 (moduł MIL-217), elementów elektronicznych wg standardu UTE C (moduł RDF 2000), elementów elektronicznych wg standardu Telcordia 4 (moduł Bellcore), elementów elektronicznych wg standardu GJB/Z 299B 5 (moduł GJB/Z 299B) oraz elementów mechanicznych wg standardu NSWC 6 (moduł Mechanical). Przykładowa okno z danymi do analizy niezawodnościowej opartej o bibliotekę MIL-217 pokazano na rys. 7. Rys. 7. Przykład wykorzystania modułu MIL-217. Wykres przedstawia zależność intensywności uszkodzeń elementu od temperatury [4] Oprócz elementów standardowych producent daje możliwość dokupienia dodatkowych bibliotek z elementami, takich jak: biblioteka elektronicznych części komercyjnych (elementy znanych światowych producentów elementów elektronicznych dla różnych dziedzin przemysłu), biblioteka NRPD 7 oparta na danych o intensywności uszkodzeń opracowanych przez Centrum Analizy Niezawodności RAC dla elementów mechanicznych, elektromechanicznych oraz elektronicznych, a także biblioteka IAEA opracowana przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (dokument IAEA-TECDOC ) dla kilkuset 2 MIL-HDBK-472 Military Handbook. Maintainability Prediction. US Department of Defense IEC (UTE C , RDF 2000) Reliability data handbook - Universal model for reliability prediction of electronics components, PCBs and equipment Telcordia/Bellcore SR-332/TR-332 Reliability Prediction Procedure for Electronic Equipment. AT&T Bell Labs standard GJB/Z 299B (China 299b) chińska norma wojskowa dotycząca szacowania niezawodności elementów elektronicznych. 6 NSWC-98/LE1 Naval Surface Warfare Center Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment NPRD-95 - Nonelectronic Parts Reliability Data. RAC IAEA-TECDOC-508 Survey of ranges of component reliability data for use in Probabilistic Safety Assessment. International Atomic Energy Agency, Vienna

7 elementów nieelektrycznych. Przykładowa okno z danymi do analizy niezawodnościowej opartej o biblioteki IsoLib firmy Isograph Ltd zaprezentowano na rys Pakiet Item Toolkit firmy Item Software Rys. 8. Przykładowe okno biblioteki IsoLib [4] Kolejnym rozbudowanym narzędziem do szacowania i prognozowania w dziedzinach niezawodności, gotowości, obsługiwalności oraz bezpieczeństwa jest pakiet Item Toolkit (pol. Przybornik) angielskiej firmy Item Software [5, 11]. Program jest zintegrowanym pakietem złożonym z ośmiu podstawowych modułów. Podobnie jak w poprzednio omawianym przypadku istnieje możliwość zakupu wyłącznie wymaganych dla określonego zastosowania bloków. Pakiet w pełnej wersji składa się z następujących modułów: Fault Tree Analysis moduł wspomagający analizę drzewa niezdatności. Program oferuje wielopoziomowe graficzne środowisko analityczne zintegrowane z technikami analizy niezawodności i bezpieczeństwa, pozwalające na szybką budowę modeli drzew niezdatności FTA oraz ich analizę. Narzędzie oferuje wielostronicową analizę oraz współdziałanie z innymi częściami pakietu firmy Item Software. Program posiada zaawansowane algorytmy analizy ilościowej oraz poszukiwania minimalnych przekrojów niezdatności w złożonych i dużych modelach FTA. Zastosowanie programu Fault tree Analisys mnoże zostac rozbudowane o analizę drzew niekoherentnych (NOT logic) i analizę stanów zdatności (success states) oraz wygodny eksport danych do programów zewnetrznych. Interfejs programu Fault Tree analysis został przedstawiony na rys. 9. 7

8 Rys. 9. Okno programu Fault Tree Analysis, obszar do modelowania drzewa niezdatności systemu [5] Event Tree Analysis moduł wspomagający analizę drzewa zdarzeń ETA. Program stanowi graficzne środowisko analityczne dla analizy ETA, czyli pozwala na określenie konsekwencji powstania analizowanych zdarzeń inicjujących i przewidywanej częstotliwości powstania każdej konsekwencji. Narzędzie współpracuje z programem Fault Tree Analysis należącym do tego samego pakietu. Ponadto poszczególne kolumny w modelu mogą zostać połączone z odpowiednimi modelami zbudowanymi w innych modułach pakietu, a mianowicie RBD i Markov. Program wspiera wyznaczanie przekrojów minimalnych niezdatności, zależności F-N (krzywe ryzyka - wykres częstości zdarzenia w funkcji konsekwencji zdarzenia) oraz pozwala na prowadzenie niezawodnosciowej analizy ważności zdarzeń. Widok interfejsu użytkownika w programie Event Tree Analysis przedstawiono na rys. 10. Rys. 10. Okno programu Event Tree Analysis, obszar do modelowania drzewa zdarzeń systemu [5] Markov Analysis program wspomagający prowadzenie czasowozależnej analizy niezawodności i gotowości opartej na łańcuchach i procesach Markowa. Zachowanie 8

9 systemu modelowane jest grafem przejść stanów, który przedstawia dyskretny zbiór możliwych stanów analizowanego systemu, pozwala to m.in. na prowadzenie analizy przejść systemu ze stanu niezdatności do zdatności i odwrotnie (sekwencje uszkodzeń i napraw systemu). Wykorzystanie modeli Markowa może być przydatne, gdy proste czasowozależne modele parametryczne długości czasu do uszkodzenia (jak rozkład wykładniczy lub Weibulla) nie są wystarczające do opisu dynamiki zmian stanów systemu, np. dla systemów z rezerwą zimną. Narzędzie Markov Analysis firmy Item Software pozwala na szybkie modelowanie systemów i ich analizę z wykorzystaniem technik Markowa z dyskretnymi i ciągłymi modelami przejść. Widok interfejsu użytkownika w programie Markov Analysis zaprezentowano na rys. 11. Rys. 11. Okno programu Markov Analysis, obszar do modelowania przejść stanów w analizie Markowa [5] Reliability Block / Network Diagram program wspierający analizę systemów przedstawionych w postaci modelu struktury niezawodnościowej (blokowy schemat niezawodnościowy / schematy sieciowe). Widok interfejsu użytkownika w programie Reliability Block / Network Diagram pokazano na rys. 12. Rys. 12. Okno programu Reliability Block / Network Diagram, obszar do modelowania struktury niezawodnościowej systemu w postaci schematu blokowego [5] 9

10 Program oferuje możliwość jednoczesnej analizy kilku systemów, łatwą wymianę informacji pomiędzy innymi modułami pakietu oraz eksport danych i wyników do programów zewnętrznych. Dla zbudowanych modeli program pozwala na wyznaczenie przekrojów minimalnych niezdatności oraz oszacowanie charakterystyk niezawodnościowych, w tym przeprowadzenie analizy ważności zdarzeń (miary Veseley a-fussella, Birnbauma oraz Barlowa-Proschana). Wyniki oszacowań prezentowane są w postaci hierarchicznej. Failure Mode Effect and Criticality Analysis program do prowadzenia analizy rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności zgodnie z uznanymi standardami w tym zakresie, jak np. MIL-STD lub BS 5760 Part Program zawiera bibliotekę wielu gotowych opisów części systemów, zdarzeń i skutków niezdatności, co skraca proces tworzenia raportów FMEA. Biblioteka może zostać dopasowana do indywidualnych potrzeb analityka. Ponadto program jest wyposażony w bazę informacji opartą na normie MIL-HDBK-338, która pozwala na tworzenie powszechnie używanych elementów, węzłów niezdatności itd. Narzędzie wspomaga tworzenie i raportowanie dla potrzeb FMECA przy efektywnym śledzeniu efektu końcowego, prezentacji rodzajów niezdatności w formie systemowego wykresu hierarchicznego oraz daje możliwość powiązania poszczególnych niezdatności na różnych częściach hierarchii i indywidualne definiowanie kategorii skutków niezdatności (konsekwencji). Widok interfejsu użytkownika w programie Failure Mode Effect and Criticality Analysis przedstawiono na rys. 13. Rys. 13. Interfejs użytkownika w programie Failure Mode Effect and Criticality Analysis [5] MainTain program wspomagający prognozowanie obsługiwalności systemów technicznych (zgodnie ze standardem MIL-HDBK-472). Pozwala na oszacowanie czasów przestojów podczas przeglądów oraz wywołanych stanami niezdatności. Narzędzie pozwala na wyznaczenie sredniego czasu do naprawy zgodnie z procedura przedstawiona w dokumencie MIL-HDBK-472, Procedure V, Method A. Ponadto program wspiera oszacownie pracochłonności, ilość wymaganego personelu, wymaganych części 9 MIL-STD-1629A Procedures for Performing a Failure Mode Effects and Criticality Analysis. US Department of Defense BS Reliability of systems, equipment and components. Guide to failure modes, effects and criticality analysis (FMEA and FMECA). British Standards Institution

11 zamiennych i narzędzi dla określonych zdefiniowanych dla danego systemu prac obsługowych. Rozbudowany graficzny interfejs użytkownika ułatwia opis systemu, wprowadzanie danych, uzyskiwanie wymaganych raportów oraz wymiane informacji (eksport/oimport) z programami zewnętrznymi. Widok interfejsu użytkownika w programie MainTain pokazano na rys. 14. Rys. 14. Okno programu MainTain do analizy obsługiwalności systemu [5] SpareCost moduł wspomagający proces wyznaczania zapotrzebowania na części zamienne na stanowisku pracy oraz w magazynie, pozwala na zoptymalizowanie ilości części zamiennych pod względem najmniejszych kosztów eksploatacyjnych. Program wykorzystuje algorytmy Optcost i Repstock wywodzące się z zastosowań militarnych. Moduł SpareCost wspomaga nadzór nad zapasem części zamiennych na stanowisku pracy (oszacowanie dla pierwszej i drugiej naprawy poprzez zastępowanie) w celu uniknięcia niedoboru części zamiennych podczas cyklu eksploatacji. Ilość części jest optymalizowana z zastosowaniem funkcji celu minimalizującej koszty zakupu składowanych części zamiennych. Widok interfejsu użytkownika w programie SpareCost przedstawiono na rys

12 Rys. 15. Interfejs użytkownika w programie SpareCost [5] oraz poza wymienionymi modułami pakiet firmy Item Software zawiera pięć modułów z bibliotekami do prognozowania niezawodności, w tym dane o intensywności uszkodzeń dla elementów elektronicznych wg standardu MIL-HDBK-217 (moduł MIL-217), elementów elektronicznych wg standardu IEC (moduł RDF 2000), elementów elektronicznych wg standardu Telcordia SR-332/TR-332 (moduł Bellcore/Telcordia), elementów elektronicznych wg standardu GJB/Z 299B (moduł China 299b) oraz elementów mechanicznych wg standardu NSWC-98/LE1 (moduł NSWC). Widok okna modułu wspomagającego dobór danych dla celów estymacji niezawodności w pakiecie firmy Item software pokazano na rys. 16. Rys. 16. Widok okna doboru danych dla szacowania niezawodności w pakiecie firmy Item Software [5] 3. Pakiet Relex Reliability Studio firmy Relex Software Konkurencję dla dwóch przedstawionych narzędzi do komputerowego wspomagania obliczeń niezawodnościowych może stanowić oprogramowanie Relex Reliability Studio (Studio Niezawodnościowe) amerykańskiej firmy Relex Software [6, 12]. Pakiet w pełnej wersji stanowi zbiór jedenastu narzędzi dla analizy niezawodnościowej, a mianowicie: Fault Tree / Event Tree program do prowadzenia analizy drzewa niezdatności oraz analizy drzewa zdarzeń. Model w postaci drzewa niezdatności może być budowany z wykorzystaniem bramek: AND, PAND, OR, NOR, NAND, NOT, EXOR, k-z-n, bramka zdarzenia warunkowego oraz komentarzy, symboli przeniesień i szeregu zdarzeń pierwotnych, takich jak zdarzenie elementarne, zewnętrzne i nierozwinięte. Program wspiera analizy zdarzeń o wspólnej przyczynie CCS przy zastosowaniu modeli nazwanych Alpha, Beta, MGL i BFR. Narzędzie pozwala na wyznaczenie zbioru minimalnych przekrojów niezdatności, oszacowanie podstawowych miar niezawodnościowych różnymi metodami i oszacowanie różnych miar ważności zdarzeń. Widok interfejsu użytkownika w programie Fault Tree / Event Tree pokazano na rys

13 Rys. 17. Okno programu Fault Tree / Event Tree, obszar do modelowania drzewa niezdatności systemu [6] FMEA/FMECA narzędzie do prowadzenia analizy rodzajów i skutków niezdatności oraz analizy rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności. Program jest pomocny przy analizie potencjalnych rodzajów uszkodzeń w systemie i ich efektów. Wspiera analizy wykonane z uwzględnieniem wymogów standardów militarnych i lotniczych w tym: MIL- STD-1629 oraz SAE ARP oraz standardów motoryzacyjnych SAE J lub norm producentów samochodów Automotive Industry Action Group 13 (AIAG), Daimler- Chrystler, Ford i GM FMEA 14. Analizy wsparte tymi standardami mogą być prowadzone dla różnych gałęzi przemysłu, wówczas określone normy mogą być dostosowane do określonych potrzeb. Widok interfejsu użytkownika w programie FMEA/FMECA przedstawiono na rys SAE ARP5580 Recommended Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) Practices for Non-Automobile Applications. SAE International SAE J1739 Potential Failure Modes and Effects Analysis is Design (Design FMEA) and Potential Failure Modes and Effects Analysis In Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA) Reference Manual. SAE International AIAG FMEA-3 Automotive Industry Action Group. Potential Failure Mode and Effect Analysis AIAG Q7-K - DaimlerChrysler, Ford, and General Motors Supplier Quality Requirements "7 Pack" Automotive Industry Action Group. 1 3

14 Rys. 18. Okno FMEA/FMECA, przykładowa analiza rodzajów i skutków niezdatności [6] FRACAS system raportowania i analizy uszkodzeń oraz działań korekcyjnych (Failure Reporting Analysis and Corrective Action System). Dzięki temu programowi możliwe jest wspomaganie systemu zarządzania firmy poprzez poprawę jakości i zmniejszenie kosztów produkcji. FRACAS pozwala wszystkim działom firmy na wgląd w bieżące plany napraw, udostępnia raporty usterek, reklamacje użytkowników i propozycje korekty zgodne z zaleceniami kierownictwa itp. FRACAS wykorzystuje centralną bazę danych, w której znajdują się wszystkie dane jakościowe. Narzędzie pozwala na sterowanie procesem obsług m.in. poprzez nadzór nad wszystkimi niezbędnymi czynnościami naprawczymi i obsługami profilaktycznymi oraz ich śledzenie w przypadku wystąpienia problemów jakościowych. Istnieje możliwość zastosowania różnych miar jakościowych do sterowania komunikatami alarmowymi. FRACAS oferuje szereg dodatkowych narzędzi m.in. pozwalających na wprowadzanie danych jak na przykład Internet Browser oraz urządzenia przenośne. Widok interfejsu użytkownika w programie FRACAS pokazano na rys. 19. Rys. 19. Okno systemu raportowania i analizy uszkodzeń oraz działań korekcyjnych FRACAS [6] Human Factors Risk Analysis narzędzie wspierające analizę zagrożeń pochodzących od czynnika ludzkiego. Program może znaleźć zastosowanie do analizy błędów ludzkich w pewnych sektorach przemysłowych (lotnictwo, kosmonautyka, chemia procesowa, transport morski itp.), gdzie przyjmuje się iż nawet % wszystkich wypadków jest wywołane tzw. czynnikiem ludzkim. Human Factors Risk Analysis opiera się na procesowej analizie rodzajów i skutków niezdatności PFMEA (Process Failure Mode and Effects Analysis). Modelowanie procesów analizy błędów ludzkich z wykorzystaniem tej metodologii znane jest jako HF-PFMEA (Human Factors Process Failure Mode and Effect Analysis). Technika PFMEA jest wykorzystana do określenia bezpieczeństwa i niezawodności procesu eksploatacji poprzez analizę potencjalnych węzłów niezdatności w procesie. Przenosząc tę technikę na wyższy poziom (HF-PFMEA) możliwa jest ocena bezpieczeństwa i niezawodności człowieka poprzez analizę zadań lub procesów w systemach antropotechnicznych. Widok interfejsu użytkownika w programie Human Factors Risk Analysis zaprezentowano na rys

15 Rys. 20. Interfejs uzytkownika w programie Human Factors Risk Analysis [6] Life Cycle Cost (LCC) program do analizy kosztów cyklu eksploatacji zapewniający oszacowanie kosztów produktu w ciągu wszystkich etapów jego egzystencji. Narzędzie LCC umożliwia analizę kosztów całościowych uwzględniających pełny cykl "życia" produktu tj. od chwili powstania koncepcji, poprzez projektowanie, wytwarzanie, użytkowanie aż do momentu wyłączenia produktu z użytku (złomowanie, recycling). Analiza uwzględnia szereg kosztów podczas kolejnych cykli, jak koszt powstania projektu, produkcji, gwarancji, naprawy i zużytkowania według różnych scenariuszy. Wszystkie rodzaje kosztów mogą zostać przedstawione w wygodnej formie drzewa (Cost Breakdown Structure CBS). Pomiędzy wynikami możliwy jest wygodny transfer informacji, ponadto poszczególne zmienne mogą mieć różny charakter (zmienne alternatywne, czasowozależne). Program szacuje całkowity koszt cyklu, koszt netto (Net Present Value NPV) ponadto pozwala na tzw. analizę czułości. W analizie możliwe jest uwzględnienie charakterystyk produktu takich jak: średni czas pomiędzy uszkodzeniami, średni czas do naprawy (odnowy), niezawodność itp. oraz określonymi miarami funkcjonalności i liczba części zamiennych. Widok interfejsu użytkownika w programie Life Cycle Cost pokazano na rys. 21. Rys. 21. Interfejs użytkownika w programie Life Cycle Cost (LCC) [6] 1 5

16 Maintainability prediction oprogramowanie do prognozowania obsługiwalności systemów technicznych. Program pozwala na przeprowadzanie analiz związanych z utrzymaniem urządzeń w stanie funkcjonalności. Do bazy danych wprowadza się hierarchię systemu i określ właściwe czasy odnowy dla wszystkich części wymiennych. Narzędzie pozwala na oszacowanie miar obsługiwalności systemu jak na przykład średni czas do odnowy, pracochłonność na naprawę, średni czas obsługi czynnej, wskaźnik obsługiwalności itp. w oparciu o dane o jego elementach (miary obsługiwalności i niezawodności). Prognozowanie obsługiwalności opiera się na powszechnym standardzie MIL-HDBK-472, procedury 2, 5A i 5B. Widok interfejsu użytkownika w programie Maintainability prediction przedstawiono na rys. 22. Rys. 22. Okno programu Maintainability prediction wspomagającego prognozowanie obsługiwalności systemu [6] Markov program do wspomagania analizy opartej na łańcuchach i procesach Markowa. Sekwencja zdarzeń w systemie modelowana procesem Markowa może być analizowana w połączeniu z innymi technikami analizy, jak niezawodnościowy schemat blokowy lub analiza drzewa niezdatności, przez co możliwości aplikacji przedstawionego narzędzia ulegają rozszerzeniu. Program Markov umożliwia efektywną analizę złożonych systemów technicznych w odniesieniu do niezdatności wywołanych zdarzeniami o wspólnej przyczynie oraz wspomaga analizę przyczyn obniżenia sprawności, przyczyn i skutków uszkodzeń, analizę następstw zdarzeń w systemie. Po zamodelowaniu łańcucha Markowa, obliczenia wykonywane są z wykorzystaniem zaimplementowanego symulatora, który wyposażony jest w optymalne algorytmy do prowadzenia efektywnych obliczeń prawdopodobieństwa zajścia (przejść) zdarzeń (stanów). Dodatkowo symulator wykonuje analizę prawdopodobieństwa zaistnienia stanów zależnych od czasu oraz analizę funkcjonalności systemu ze stałą intensywnością awarii i napraw, jak również analizę procesów stacjonarnych. Widok przykładowego modelu zbudowanego z wykorzystaniem programu Markov przedstawiono na rys

17 Rys. 23. Okno modułu Markov, przykładowy model przejść stanów w analizie Markowa [6] OpSim narzędzie do optymalizacji i symulacji systemów pod kątem ich niezawodności. Standardowe modele w postaci struktury niezawodnościowej systemu RBD pozwalają na oszacowanie gotowości i niezawodności, natomiast dla wielowymiarowych zmiennych struktur niezawodnościowych konieczne jest rozbudowanie analizy RDB o informacje o działaniach obsługowych oraz zapasie części zamiennych i sposobach realizacji procesu napraw, co może być zrealizowane z wykorzystaniem pakietu OpSim. Widok przykładowego projektu sporządzonego z wykorzystaniem programu OpSim przedstawiono na rys. 24. Rys. 24. Interfejs użytkownika programu OpSim firmy Relex Software [6] Reliability Block Diagram (RDB) analiza systemów przedstawionych w postaci modelu struktury niezawodnościowej (blokowy schemat niezawodnościowy). Program pozwala na szeroki zakres analiz dla różnych wejściowych modeli (rozkładów) uszkodzeń i napraw elementów systemu, m.in. elementów z rozkładem wykładniczym, normalnym, log-normalnym, Weibulla, Rayleigha i modelem stałego prawdopodobieństwa. Program 1 7

18 pozwala na efektywną wymianę informacji z narzędziem Maintainability Prediction. RBD wyposażony jest również w algorytm optymalizujący ilość części zamiennych w systemie (projekcie). Widok przykładowego projektu analizowanego z wykorzystaniem programu Reliability Block Diagram pokazano na rys. 25. Rys. 25. Przykładowy model analizowanego systemu zbudowany w programie Reliability Block Diagram [6] Weibull funkcjonalny i łatwy w obsłudze program wykorzystujący techniki Weibulla pozwalającą na sprawdzenie i obróbkę zebranych danych o uszkodzeniach. Na rys. 26 przedstawiono przykładowy wynik analizy uzyskany z wykorzystaniem programu Weibull (jednoczesne przedstawienie danych, wykresów i obszarów ufności dla podstawowych analiz i raportów). Rys. 26. Przykładowy wynik analizy systemu uzyskany z wykorzystaniem programu Weibull [6] Metodyka wykorzystana w module Weibull pozwala na analizę danych dotyczących długości czasu (i momentów) przebywania analizowanego systemu w określonych stanach eksploatacyjnych. Odnosi się to do wszystkich typów systemów włączając w to systemy 1 8

19 opisane mechanicznie, chemicznie, elektroniczne, materiałowo a także dane o niezawodności człowieka. Zebrane dane o eksploatacji pozwalają na oszacowanie i wyznaczenie charakteru zmian miar niezawodnościowych. Po wprowadzeniu danych istnieje możliwość wyboru rodzaju rozkładu statystycznego danych lub też program Weibull sam dobierze optymalny rozkład. Wybrany rozkład wraz należącymi do niego danymi program przedstawia w formie graficznej. Narzędzie wyposażono w dodatkowe elementy wspomagające obliczenia, takie jak: Test Planning Calculator oraz General Statistics Calculator. W programie zaadoptowano funkcję Optimal Replacement umożliwiającą zoptymalizowanie procesu wymiany (odnowy) określonych elementów systemu. Ponadto narzędzie Weibull wykorzystuje metodykę Duane/Crow-AMSAA dla celów analizy wzrostu niezawodności systemu. Reliability Prediction biblioteki do prognozowania niezawodności, w tym dane o intensywności uszkodzeń dla elementów elektronicznych wg standardu MIL-HDBK-217 (MIL-217), elementów elektronicznych wg standardu IEC (RDF 2000), elementów elektronicznych wg standardu Telcordia SR-332/TR-332 (Telcordia), elementów elektronicznych wg standardu GJB/Z 299B (China 299b) oraz elementów mechanicznych wg standardu NSWC-98/LE1 (NSWC Mechanical) a także elementy opisane standardach HRD5 15 oraz elementy opisane w bibliotekach dla oprogramowania PRISM i PRISMPlus 16. Widok okna wyboru elementów przykładowej biblioteki narzędzia Reliability Prediction zaprezentowano na rys. 27. Rys. 27. Okno wyboru elementów (danych niezawodnościowych elementów) z wybranej biblioteki modułu Reliability Prediction pakietu firmy Relex Software [6] 15 Telecom. 16 HRD5 Parts Stress Handbook of Reliability Data for Electronic Components used in Telecommunication Systems. British PRISM, PRISMPlus Oprogramowanie do analizy niezawodnościowej opracowane przez Reliability Analysis Center RAC. 1 9

20 4. Oprogramowanie firmy ReliaSoft Firma ReliaSoft nie oferuje jednego zintegrowanego środowiska jak poprzednie trzy pakiety, natomiast oferuje szereg narzędzi współpracujących ze sobą i pozwalających na wygodną wymianę i współdziałanie poszczególnych aplikacji [7]. Pośród najważniejszych programów w tej grupie wymienić należy: BlockSim 6 FTI Edition kompletny i zintegrowany pakiet programowy pozwalający na analizę struktury niezawodnościowej RBD oraz analizę drzewa niezdatności FTA. Dostępna jest również wersja standardowa pakietu o nazwie BlockSim 6 Standard ograniczona tylko do możliwości prowadzenia analizy RBD. Oprogramowanie BlockSim jest zintegrowanym systemem przeznaczonym do przeprowadzenia szczegółowej analizy (szacowania i prognozowania) niezawodności złożonych systemów technicznych. Pakiet został zaprojektowany pod kątem możliwości jego wykorzystania w kompleksowej analizie: niezawodności, obsługiwalności i gotowości systemów i podsystemów. Ponadto w skład pakietu wchodzi zestaw narzędzi pomocnych przy szacowaniu miar niezawodnościowych elementów analizowanego systemu. Widok okna programu BlockSim 6 FTI Edition pokazano na rys. 28. Rys. 28. Interfejs użytkownika programu BlockSim 6 FTI Edition [7] Xfmea narzędzie pozwalające na analizę, zarządzanie danymi i opracowywanie raportów dla analizy rodzajów i skutków niezdatności (FMEA) oraz analizy rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności (FMECA). Pakiet dostępny jest w dwóch wydaniach: standardowym (Standard) i rozszerzonym (Enterprise). Program wspiera wszystkie typy analiz FMEA/FMECA w tym projektowe Design FMEA (DFMEA), procesowe Process FMEA (PFMEA), maszynowe Machinery FMEA (MFMEA) oraz inne. Narzędzie jest wspomagane standardami SAE J1739, AIAG FMEA-3 oraz MIL-STD-1629A. Istnieje możliwość dostosowania własnego raportu do jednego z wspieranych standardów. Widok okna programu Xfmea zaprezentowano na rys

21 Rys. 29. Interfejs użytkownika programu Xfmea[7] RCM++ pakiet wspomagający eksploatację opartą na niezawodności (Reliability Centered Maintenance). Narzędzie pozwala na prowadzenie analizy, zarządzanie danymi i raportowanie dla potrzeb eksploatacji opartej na niezawodności, co jest równocześnie w pełni zintegrowane z analizą FMEA/FMECA. Pakiet wspomaga szereg standardów dla RCM takich jak: MSG-3 17, SAE JA , NAVAIR oraz standardów dla FMEA/FMECA: SAE J1739, AIAG FMEA-3, MIL-STD-1629A. Program RCM++ wspiera dwie metody ułatwiające określenie cech obiektu analizy, a mianowicie pytania wyboru Selection Questions (tak/nie) oraz Współczynniki krytyczności Criticality Factors (skale oceny). Widok okna programu RCM++ przedstawiono na rys. 30. Rys. 30. Interfejs użytkownika programu RCM++ [7] ALTA pakiet przeznaczony do prowadzenia ilościowych oszacowań wskaźników niezawodnościowych w oparciu o testy przyśpieszone (QALT). Według informacji 17 MSG-3 Maintenance Steering Group. MSG-3 rev. 2. Air Transport Association. Washington 1993 strategia RCM opracowana dla lotnictwa cywilnego. 18 SAE JA1012 A Guide to the Reliability-Centered Maintenance (RCM) Standard. SAE International NAVAIR Management Manual. Guidelines For The Naval Aviation Reliability-centered Maintenance Process. US Naval Air systems Command. Philadelfia

22 dostarczonych przez producenta jest to w chwili obecnej pierwszy i jedyny komercyjny program tego typu. ALTA jest dostępna w dwóch wersjach: Standard podstawowe narzędzia do prowadzenia testów przyśpieszonych cyklu eksploatacji oraz PRO posiadającej dodatkowe możliwości analizy danych z testów z czasowozależnymi naprężeniami w profilach lub z maksymalnie do ośmiu typów naprężeń działającymi równocześnie. Oprogramowanie wspiera wykorzystanie modeli relacji pomiędzy cyklem życia produktu a naprężeniami, takich jak Arreniusa, Eyringa, prawa mocy odwróconej, modelu temperatura-wilgotność, modelu temperatura-obciążenie nie-termiczne i w wersji PRO modeli: ryzyka proporcjonalnego, ogólny logarytmiczno-liniowy, uszkodzeń kumulujących się. Dane mogą odpowiadać rozkładowi Weibulla, Logarytmicznonormalnemu, wykładniczemu itp. Widok okna programu ALTA przedstawiono na rys. 31. Rys. 31. Interfejs użytkownika programu ALTA [7] Weibull++ program wykorzystujący przemysłowy standard (technika Weibulla) pozwalający na obróbkę zebranych danych o uszkodzeniach i oszacowanie miar niezawodnościowych systemu technicznego. Widok okna programu Weibull++ przedstawiono na rys

23 Rys. 32. Interfejs użytkownika programu Weibull++ [7] Oprogramowanie pozwala na statystyczną i niezawodnosciową analizę danych życia (eksploatacji). Estymacja może być oparta na rozkładzie Weibulla, wykładniczym, logarytmiczno-normalnym, Gaussa, Gamma. Program posiada moduł Distribution Wizard pozwalający na automatyczne dopasowanie rozkładu do poszczególnych typów posiadanych danych. Ponadto program posiada narzędzia pomocnicze, takie jak: Warranty Analysis, Reliability Block Diagram, Recurrence Data Analysis, Degradation Analysis, Non-parametric Life Data Analysis, SimuMatic, Design of Reliability Tests i moduł generowania raportów. wraz z poszczególnymi programami możliwe jest równoczesne zakupienie bibliotek z danymi o intensywności uszkodzeń elementów, jak również możliwe jest ich późniejsze dokupienie. Firma ReliaSoft oferuje biblioteki RAC MIL-M z ponad 2800 zintegrowanymi częściami, RAC NPRD-95 zawierająca ponad elementów nieelektrycznych (elektromechanicznych), oraz biblioteki poszczególnych elementów elektronicznych, tj. Capacitors (ponad kondensatorów), Diodes (ponad diod), Resistors (ponad rezystorów), Coils (ponad cewek), Digital Integrated Circuits (ponad cyfrowych układów scalonych). 4. Oprogramowanie firmy Sydvest Software Oprogramowanie norweskiej firmy Sydvest Software nie stanowi zintegrowanego pakietu, natomiast z uwagi na przeznaczenie poszczególnych narzędzi warte jest wymienienia jako stosunkowo konkurencyjny pod względem ceny, możliwości i komfortu pracy w stosunku do wcześniej przedstawionych pakietów zintegrowanych [8]. Pośród programów firmy Sydvest Software na szczególną uwagę zasługują programy CARA-FaultTree, Sabaton oraz Manifer. Firma opracowała również program Kyrass wspierający analizy z zakresu bezpieczeństwa eksploatacji systemów technicznych, niestety narzędzie to jest aktualnie dostępne jedynie w języku norweskim. Programy o przeznaczeniu zbliżonym do wcześniej omawianych to: CARA-FaultTree program pozwalający na modelowanie systemów w postaci drzew niezdatności oraz prowadzenie analizy zbudowanych modeli. Widok interfejsu użytkownika w programie CARA-FaultTree przedstawiono na rys MIL-M General Specification for Military Microcircuits. US Department of Defense. 2 3

24 Rys. 33. Okno modelowania systemu w programie CARA-FaultTree [8] Program charakteryzuje się z jednej strony prostotą obsługi, zaś z drugiej stanowi wydajne narzędzie do budowania i analizy złożonych drzew niezdatności. Intuicyjny graficzny interfejs użytkownika ułatwia i skraca proces analizy. CARA-FaultTree pozwala na analizę wpływu poszczególnych niezdatności na działanie całego systemu. Program pozwala na oszacowanie sześciu miar niezawodnościowych z wykorzystaniem różnych algorytmów. Ponadto narzędzie CARA-FaultTree pozwala na przeprowadzenie procesu poszukiwania minimalnych przekrojów niezdatności oraz analizę ważności zdarzeń i oszacowanie niepewności analizy. Sabaton narzędzie wspomagające analizę rodzajów i skutków niezdatności FMEA oraz rodzajów, skutków i krytyczności niezdatności FMECA. Metody te są zwykle wykorzystywane w fazie rozwojowej produktu lub systemu dla ujawnienia możliwych rodzajów i skutków niezdatności. Analiza pozwala na poprawę projektu w celu wyeliminowania określonych uszkodzeń lub niezdatności oraz dla złagodzenia skutków potencjalnych niezdatności. Program Sabaton pozwala na wykorzystanie gotowych formularzy oraz na budowę własnego formularza, definiowanego przez użytkownika. Narzędzie w ramach prowadzonej analizy wspiera szereg międzynarodowych standardów takich jak: ISO , SAE J1739, SAE ARP5580, IEC , BS lub MIL- STD Widok interfejsu użytkownika w programie Sabaton pokazano na rys. 34. Rys. 34. Przykładowa analiza rodzajów i skutków niezdatności z wykorzystaniem programu Sabaton [8] Manifer program wspomagający analizę procesu eksploatacji i zarządzanie oparte o metodę RCM (eksploatacja wspierana niezawodnością). Metodyka ta pozwala na określenie optymalnych wymagań w zakresie obsługi w kontekście efektywnej eksploatacji. Program może wspierać rozwój nowo wprowadzanych środków obsługowych jak również ulepszać rozwiązania istniejące, gdzie pożądana jest poprawa efektywności produkcji. Program Manifer może zostać zaadoptowany dla odzwierciedlenia większości procedur RCM, włączając w to politykę eksploatacji firmy, standardy, definicje itp. Program jako RCMTool został oryginalnie stworzony przez MARINTEK, następnie został rozwinięty we współpracy z firmą Sydvest Software, która jest jego aktualnym dystrybutorem. Widok interfejsu użytkownika w programie Manifer pokazano na rys ISO 9000 Quality management systems. Fundamentals and Vocabulary. International Standards Organization IEC Dependability - Analysis techniques for system reliability - Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA). IEC standard

25 Rys. 35. Okno wprowadzania danych w programie Manifer [8] Uwagi Końcowe Materiał przedstawia ogólny zarys zastosowań i najważniejszych możliwości poszczególnych programów uznanych producentów w dziedzinie analizy niezawodności, gotowości, obsługiwalności oraz bezpieczeństwa eksploatacji systemów technicznych i antropotechnicznych. Wskazano najważniejsze zdaniem autora cechy charakterystyczne dla poszczególnych pakietów (zestawów programów), programów (indywidualnych kodów programowych) i modułów programowych (bloki współpracujące w ramach środowiska jednego pakietu) i porównano je w ujęciu ogólnym. Ponadto należy mieć na uwadze, czy uzyskane wyniki analizy będą dalej opracowywane i przetwarzane z wykorzystaniem innych programów, a jeśli tak to, jakich i jaki jest zakres możliwości transferu informacji pomiędzy poszczególnymi programami, modułami i pakietami. Producenci dają możliwość wymiany informacji pomiędzy własnymi pakietami, często również do i z programów innych producentów jak np. PRISM, a także możliwość raportowania do powszechnie stosowanych typów plików jak pliki tekstowe txt i rdf oraz dokumenty pakietu biurowego Microsoft Office, w tym pliki edytora tekstów Word (doc), arkusza kalkulacyjnego Excel (xls) oraz pliki bazy danych Access (mdb). O możliwości zastosowania określonego programu do określonych zastosowań decydują indywidualne wymagania analityka oraz zakres i cel analizy. Ponadto zakres możliwych analiz wykonywanych w poszczególnych programach jest różny i w szczególnych przypadkach może zaistnieć potrzeba prowadzenia analizy z wykorzystaniem dwóch programów danego rodzaju. Innym zagadnieniem, które nie zostało tutaj poruszone jest koszt zakupu poszczególnych pakietów (programów), informacje te osoby zainteresowane mogą uzyskac kontaktując się z odpowiednimi dystrybutorami oprogramowania, np. poprzez odnośniki do stron internetowych zamieszczone w literaturze. Atrakcyjną cechą opisanych programów jest obsługa gwarancyjna udzielana na poszczególne pakiety oraz fakt, iż producenci poszczególnych pakietów oferują seminaria i szkolenia w zakresie prowadzenia analizy niezawodnościowej i gotowościowej z wykorzystaniem oferowanych przez nich pakietów. Materiał spełnił swoje postawione zadanie, jakim była ogólna charakterystyka oprogramowania do komputerowego wspomagania jakościowej i ilościowej analizy niezawodnościowej złożonych systemów technicznych, w tym okrętowych. Bardziej szczegółową prezentację (opis cech charakterystycznych, szczegółowy opis oferowanych opcji, informacje o najnowszych zmianach i uaktualnieniach) poszczególnych kodów programowych przedstawiono w dokumentacji produktów m.in. przedstawionej na stronach producentów [4, 5, 6, 7, 8]. 2 5

26 Literatura 1. Chybowski L., Porównanie kompleksowych pakietów oprogramowania przydatnych w prowadzeniu wieloaspektowej analizy niezawodności. Raport wewnetrzny w pracy badawczej. Szczecin Chybowski L., Matuszak Z., Wybrane programy wspomagające analizę gotowości, niezawodności, obsługiwalności i bezpieczeństwa eksploatacyjnego złożonych systemów technicznych. Ekonomika i Organizacja Przedsiębiorstwa Nr 7 (678) / Wydanie na dołączonej płycie CD-ROM. 3. Chybowski L., Matuszak Z., Porównanie kompleksowych pakietów oprogramowania do prowadzenia wieloaspektowej analizy niezawodności. Balttiechmasz 2006, BAME, KGTU, Kaliningrad, Czerwiec 2006, s Dokumentacja pakietu Reliability Workbench ( 5. Dokumentacja pakietu Item Toolkit ( 6. Dokumentacja pakietu Relex Reliability Studio ( 7. Dokumentacja oprogramowania firmy ReliaSoft ( 8. Dokumentacja oprogramowania firmy Sydvest Software ( 9. Informacje o programach do wspomagania analizy niezawodności, obsługiwalności i bezpieczeństwa systemów technicznych ( 10. Isograph Direct Authors of the World s Leading Software for Reliability, Availability, Maintainability, Safety & Life Cycle Costing. Publikacja firmy Isograph. 11. Item Software World Leaders In Reliability Engineering Software. Publikacja firmy Item Software. 12. The intuitive solution. Relex Visual Reliability Software. Publikacja firmy Relex. 2 6