Berechnungsmethoden für RAMS

When designing critical products / systems, Reliability, Availability, Safety, and Maintainability (RAMS) aspects have to be accounted for.
In vielen Branchen wurden Standards für RAMS-Analysen definiert, zum Beispiel: RAIL [1] [2] [3], Luft- und Raumfahrt [4], Verteidigung [5], Automobilindustrie [6] und Medizinprodukte [7].
Die Standards definieren die Art der Analysen, die durchgeführt werden müssen. Die folgende Tabelle enthält allgemeine Analysen:

Thema Analyse Bedeutung
MTBF Mittlere Zeit zwischen Ausfällen Berechnen Sie die MTBF der Komponenten und Baugruppen unter Berücksichtigung der Umgebung und des Betriebsprofils.
MTBF-Berechnungen bilden die Grundlage für Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Wartbarkeitsanalysen.
Sicherheit Fehlermodus-, Effekt- und Kritikalitätsanalyse (FMECA) [8] Analysieren Sie die Folgen einzelner Fehlermodi (Häufigkeit, Schweregrad und Risiko).
Sicherheit Fehlerbaumanalyse [9] (FTA) Berechnen Sie die Auftrittsrate und die Wahrscheinlichkeit von Sicherheitsereignissen, die sich aus komplexen Kombinationen von Unterereignissen ergeben
Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Zuverlässigkeitsblockdiagramm [10] (RBD) Berechnen Sie die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) und die mittlere Zeit bis zur Wiederherstellung (MTTR) komplexer Systeme in Abhängigkeit von den minimal erforderlichen Funktionen, die den Betrieb des Systems ermöglichen.
Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Markov-Ketten [11] Markov-Ketten ermöglichen die Analyse komplexer Systeme durch Modellierung jedes möglichen Systemzustands und der Übergangsraten zwischen den Zuständen.
Wartbarkeit Verfügbarkeit von Ersatzteilen auf Lager Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ersatzteil bei Bedarf im Bestand verfügbar ist.
Wartbarkeit Ersatzteile wirken sich auf die Betriebsverfügbarkeit aus Berechnen Sie die Verfügbarkeit des Systembetriebs unter Berücksichtigung der längeren Wiederherstellungszeit aufgrund von Ersatzteilmangel.
Wartbarkeit Testbarkeitsanalyse [12] Entwerfen Sie einen BIT-Plan (Built In Test) für eine hohe Abdeckung der Fehlermodi und eine schnelle Fehlerisolierung.

Tabelle 1: Schlüssel-RAMS-Analysen

 

FMECA befasst sich mit den Auswirkungen eines einzelnen Ereignisses im Fehlermodus, daher ist diese Berechnung recht einfach.

Andere Berechnungen können aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen den Zuständen der Komponenten des analysierten Systems recht komplex werden.
Beispiel:
Ein zentraler Bestand liefert Ersatzteile für zwei Hubschrauber. Wenn ein Hubschrauber ein Ersatzteil verbraucht, verringert sich die Verfügbarkeit von Ersatzteilen für den zweiten Hubschrauber.

Es gibt zwei Arten von Methoden zur Berechnung des Verhaltens komplexer Systeme:

  • Analytisch - unter Verwendung von Gleichungen und numerischer Integration
  • Monte-Carlo-Simulation - Simulation vieler möglicher Szenarien, die durch zufällige Ereignisse ausgelöst werden

Jede Methode hat Vor- und Nachteile, die bestimmen, wann jede Methode angewendet werden soll.

In der folgenden Tabelle sind die Vor- und Nachteile sowie die Verwendung der einzelnen Methoden zusammengefasst:

 

  Analytisch Simulation
Vorteile Wenn der analytische Algorithmus sorgfältig entworfen wird [13], kann in sehr kurzer Berechnungszeit eine hohe Genauigkeit erzielt werden. Zum Beispiel: Anforderung einer Ausfallwahrscheinlichkeit von weniger als 10-9 pro Flugstunde kann leicht überprüft werden. Die Simulation kann sehr flexibel sein und es ermöglichen, hochkomplexe Systeme mit minimalen Annahmen zu modellieren.
Nachteile Oft müssen Annäherungen verwendet werden, um eine analytische Berechnung zu ermöglichen. Für die Sicherheitsanalyse müssen Annäherungen „Worst Case“ sein, dh die Obergrenze für die Ausfallwahrscheinlichkeit angeben. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, müssen viele Simulationen durchgeführt und gemittelt werden. Dies kann viel Rechenaufwand und Zeit erfordern.
Verwendet Sicherheit

Die Fehlerbaumanalyse wird häufig für die Eintrittswahrscheinlichkeit von Sicherheitsereignissen verwendet. Die analytische Berechnung ermöglicht eine schnelle und genaue Analyse.

 

Ersatzoptimierung

Ziel der Ersatzoptimierung ist es, die günstigste Ersatzteilkombination zu finden, die die erforderliche Systemverfügbarkeit bietet. Durch die Verwendung schneller analytischer Berechnungen können viele Ersatzoptionen schnell gescannt werden. In Verbindung mit einer intelligenten Optimierungsmaschine kann die optimale Ersatzteilkombination erreicht werden.

 

Verfügbarkeit

Die Verfügbarkeit im stationären Zustand (Systemverfügbarkeit nach ausreichend langer Zeit, wenn die Korrelationen zwischen Systemkomponenten abklingen) kann schnell und genau berechnet werden.

 

Lebenszykluskosten

Die Obergrenze für die mittleren Lebenszykluskosten und die mittleren Kostenkomponenten für jedes Lebensjahr kann schnell berechnet werden.

Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit

Monte-Carlo-Simulationen können die Punktverfügbarkeit und -zuverlässigkeit (eine Kurve der Verfügbarkeit / Zuverlässigkeit über die Zeit) liefern und Korrelationen zwischen dem Betriebsalter der Komponenten berücksichtigen.

 

Lebenszykluskosten

Durch Anhängen von Kosten an alle Ereignisse können die Lebenszykluskosten berechnet werden, einschließlich einer Kurve, die zeigt, wie sich die Ausgaben im Laufe der Zeit ansammeln.

Tabelle 2: Vergleich analytischer Berechnungen mit Monte-Carlo-Simulationen

 

BQR bietet eine Komplettlösung für RAMS-Analysen, die eine Vielzahl von Analyse- und Monte-Carlo-Simulationssoftware abdeckt

MTBF-Vorhersage

  • Unterstützen Sie alle Standards
  • Wiederverwendbare Bibliotheken
  • Web oder Desktop
Screenshot of MTBF prediction software
Berechnungszusammenfassungsansicht

FMECA

  • Unterstützen Sie alle Standards
  • Fehlermodi-Bibliotheken
  • FMEA / FMECA / RPN
Risk Matrix, screenshot of FMECA software
Risikomatrix

Freihandelsabkommen

  • Unterstützen Sie häufige Ursachen
  • Schnittsätze
  • Sensitivitätsanalyse
FTA traditional view
FTA traditionelle Ansicht

Testability / Diagnostics Analysis

  • Detection and Isolation analyses
  • Testbibliothek
  • Detaillierte Berichte
FMEDA
BIT und Testlisten

RBD

  • Unterstützt RBD-Netzwerke
  • Monte-Carlo-Simulation
  • Gerätebibliothek
RAM analysis - Reliability Block Diagram Software
Blockdiagramm zur Netzwerkzuverlässigkeit
Reliability Block Diagram Software - Monte Carlo simulation
Monte-Carlo-Simulationsergebnisse für zwei Pumpen, die im Standby-Modell arbeiten

Markov-Kette

  • Lastverteilung
  • Verfügbarkeit von Ersatzteilen
  • RAID-Ausfallwahrscheinlichkeit
Reliability Block Diagram Software - Markov Models
Markov-Modell

Ersatzteiloptimierung und Lebenszykluskosten

  • Unterstützt mehrstufige Logistik
  • Geteilte und exklusive Aktien
  • Konten für das Systemzuverlässigkeitsmodell
Verfügbarkeitsmodell für Ersatzteile

Literaturverzeichnis

[1] EN 50126: 2017 Eisenbahnanwendungen. Spezifikation und Nachweis von Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit (RAMS). Generischer RAMS-Prozess.
[2] EN 50128: 2011 Eisenbahnanwendungen. Kommunikations-, Signalisierungs- und Verarbeitungssysteme. Software für Eisenbahnsteuerungs- und -schutzsysteme.
[3] EN 50129: 2018 Eisenbahnanwendungen. Kommunikations-, Signalisierungs- und Verarbeitungssysteme. Sicherheitsrelevante elektronische Systeme zur Signalisierung.
[4] SAE ARP4761: 1996 RICHTLINIEN UND METHODEN FÜR DIE DURCHFÜHRUNG DES SICHERHEITSBEWERTUNGSVERFAHRENS FÜR ZIVILFLUGZEUGSYSTEME UND -GERÄTE.
[5] MIL-STD-882E: 2012 Systemsicherheit.
[6] ISO 26262: 2018 Straßenfahrzeuge Funktionssicherheit.
[7] ISO 14971: 2007 Medizinprodukte - Anwendung des Risikomanagements auf Medizinprodukte.
[8] IEC 60812: 2018 Analyse der Fehlermodi und Auswirkungen (FMEA und FMECA).
[9] IEC 61025: 2007 Fehlerbaumanalyse (FTA).
[10] IEC 61078: 2016 Zuverlässigkeitsblockdiagramme.
[11] IEC 61165: 2006 Anwendung von Markov-Techniken.
[12] MIL-HDBK-2165: 1995 HANDBUCH ZUR PRÜFBARKEIT FÜR SYSTEME UND AUSRÜSTUNGEN, DOD.
[13] AS &. Y. Bot, „Fehlerbaumanalyse, wie genau ist sie?“ In ESREL 2017, 2017.