Luotettavuustekniikka

Luotettavuustekniikka on suunnittelumenetelmä, jolla pyritään varmistamaan suunniteltavan koneen ja järjestelmän luotettavuus (toimintavarmuus), kun konetta käytetään määritetyllä tavalla. Luottavuustekniikan menetelmillä käsitellään järjestelmän koko käyttöikää sisältäen kehityksen, testauksen, valmistuksen ja käytön. Kiteytettynä luotettavuus voidaan nähdä tuotteen/asian koko elinkaaren aikaisena laatuna.

Luotettavuustekniikka on alkanut kehittyä jo 1930-luvulla tilastollisen laadunvalvonnan myötä. 1940-luvulla Robert Lusser on esittänyt luotettavuuslaskennan perusväittämän:

Useista osista koostuvan järjestelmän luotettavuus on osien luotettavuuksien tulo,

mistä seuraa, että järjestelmän luotettavuus on pienempi kuin sen heikoimman osan luotettavuus.

Suomessa luotettavuustekniikka sai alkunsa ydinvoimalaitosten suunnittelun alkaessa. Voimayhtiöt ovat vieläkin luotettavuustekniikan suurimpia käyttäjiä. Tarve luotettavuustekniikan soveltamiseen tulee usein viranomaisvaatimuksista, tuoteturvallisuusvaatimuksista tai keskeytysvakuutusten ehdoista.

Luotettavuuden perusteita

Luotettavuus voidaan määrittää monella tavalla:

• Toimintaidean kantavuus ajan suhteen
• Koneen, tuotteen tai järjestelmän kapasiteetti toimia kuten suunniteltu
• Koneen tai tuotteen vikautumattomuus
• Koneen tai tuotteen kyky suoriutua vaadituista toiminnoista määrätyissä olosuhteissa suunnitellun ajanjakson
• Todennäköisyys että toiminnallinen yksikkö suoriutuu vaadituista toiminnoista määrätyissä olosuhteissa suunnitellun ajanjakson

Luotettavuustekniikka perustuu tilastotieteeseen, todennäköisyysteoriaan ja luotettavuusteoriaan. Luotettavuustekniikassa käytetään useita suunnittelumenetelmiä, kuten laskennallinen luotettavuus, Weibull-jakauma, lämpöoppi, luotettavuustestaus ja nopeutettu käyttöikätestaus. Menetelmien kirjon ja kalleuden vuoksi suunnitteluprojekteissa määritetään usein etukäteen menettely, miten luotettavuus kyseisessä tapauksessa varmistetaan ja todennetaan.

Luotettavuustekniikan soveltamisen tavoitteena on kehittää vaatimukset suunniteltavan järjestelmän luotettavuudelle, käynnistää niitä vastaava luotettavuussuunnittelu, suorittaa siinä vaadittavat analyysit, jotta varmistetaan koneen tai tuotteen vaatimusten mukainen luotettavuus. Luotettavuustekniikka on läheisessä suhteessa huollettavuussuunnitteluun ja logistiikkaan. Myös muiden alojen, kuten turvatekniikan ongelmia voidaan lähestyä luotettavuustekniikan keinoin.

Luotettavuusteoria

Luotettavuusteoria on luotettavuustekniikan perusta. Suunnittelua varten luotettavuus määritellään seuraavasti:

Todennäköisyys, että järjestelmä suoriutuu suunnitelluista toiminnoista halutun ajan määritellyissä olosuhteissa.

Matemaattisesti tämä ilmaistaan:

$R(t)=\int _{t}^{\infty }f(x)\,dx\ \!$,

Missä $f(x)\!$ on vikaantumisen todennäköisyysjakauma.

Luotettavuustekniikassa keskitytään tämän määrittelyn neljään tärkeimpään kohtaan:

• Ensimmäiseksi, luotettavuus on todennäköisyys. Tämä tarkoittaa, että aina on jonkinlainen vikaantumisen mahdollisuus. Luotettavuustekniikassa yritetään saavuttaa haluttu todennäköisyys onnistumiselle määrätyllä tilastollisella luotettavuustasolla.
• Toiseksi, luotettavuus määräytyy "tavoitefunktiosta". Yleisesti, tätä käytetään keskimääräisenä vikaantumattomana käyttöaikana. Kuitenkin, vaikka mikään yksittäinen järjestelmän osa ei vikaantuisikaan, mutta järjestelmä kokonaisuudessa ei pysty haluttuun toimintaan, niin tämäkin sisältyy järjestelmän luotettavuuteen. Järjestelmälle asetetut vaatimukset toimii vertailukohtana, johon mitattua luottavuutta verrataan.
• Kolmanneksi, luotettavuutta tarkastellaan suunnitellulla ajanjaksolla. Käytännössä tämä tarkoittaa, että järjestelmällä määrätty todennäköisyys toimia vikaantumatta ajan $t\!$. Luotettavuusteknisellä tarkastelulla varmistetaan, että komponenttien ja materiaalien ominaisuudet pysyvät määritellyissä arvoissa suunnitellun ajan. Muitakin käyttöiän laskentatapoja käytetään. Autoteollisuus voi määrittää luotettavuuden ajokilometreissä ja tuliaseen käyttöikä voidaan määrittää ampumakertoina. Mekaanisen laitteen luotettavuutta voidaan arvioida käyttökerroissa.
• Neljänneksi, luotettavuus rajoittuu käyttöön määrätyissä olosuhteissa. Tämä rajoitus on välttämätön, koska on mahdotonta suunnitella järjestelmä kaikkiin mahdollisiin olosuhteisiin. Mars-ajoneuvolle on määritelty eri olosuhteet kuin perheautolle. Käyttöympäristö valitaan suunnittelun ja testauksen aikana.

Luotettavuussuunnitelma ja sen laajuuden valinta

Luotettavuuden saavuttamiseksi voidaan hyödyntää useita toimenpiteitä, menetelmiä ja työkaluja. Jokainen järjestelmä edellyttää erilaista luotettavuuden tasoa. Matkustajalentokonetta käytetään hyvin erilaisissa olosuhteissa ja kaikki onnettomuudet ovat vakavia, mutta vastaavasti sen suunnitteluun varataan suurempi budjetti. Kynänteroitin voi olla luotettavampi kuin matkustajalentokone, mutta kynänteroittimen käyttöolosuhteet ovat hyvin erilaiset ja ongelmat sen toimimattomuudesta ovat vähäisiä, joten sen suunnitteluun tarvitsee panostaa vähemmän.

Luotettavuussuunnitelmaa käytetään määrittämään tarkasti, mitä toimenpiteitä, menetelmiä, työkaluja, analyysejä ja testejä vaaditaan tietylle järjestelmälle. Monimutkaiselle järjestelmälle se on erillinen dokumentti. Yksinkertaisille järjestelmille se voidaan yhdistää tuotekehityssuunnitelman määrittelyyn. Luotettavuussuunnitelma on oleellinen onnistuneelle luotettavuuden kehitysohjelmalle ja se on laadittava tuotekehityksen alkuvaiheessa. Se ei määritä ainoastaan, mitä luotettavuudesta vastaava suunnittelija tekee, vaan myös muiden suunnittelijoiden työtä.

Vaatimukset toimintavarmuudelle

Yksi ensimmäisistä tehtävistä luotettavuuden suunnittelussa mille tahansa järjestelmälle on riittävän tarkasti yksilöidä luotettavuudelle asetetut vaatimukset. Luotettavuussuunnitelma koskee itse järjestelmää, sen testauksen ja arvioinnin vaatimuksia ja näihin liittyviä tehtäviä ja dokumentteja. Luotettavuussuunnitelma ja -vaatimukset sisällytetään koko järjestelmän ja sen osakokoonpanojen määrityksiin, testaussuunnitelmiin ja alihankintasopimuksiin.

Järjestelmän luotettavuuden muuttujat

Vaatimukset eritellään käyttämällä luotettavuutta kuvaavia muuttujia. Yleisin luotettavuutta kuvaava muuttuja on MTBF (Mean Time Between Failure), mikä voidaan määrittää vikataajuudeksi tai vikojen määräksi annetussa ajassa. Nämä muuttujat ovat hyvin käyttökelpoisia järjestelmille, joita käytetään säännöllisesti, kuten ajoneuvot, koneistot ja elektroniset laitteet. Luotettavuus kasvaa kun MTBF kasvaa. MTBF voidaan ajan sijasta kuvata myös työsyklien määrällä tai ajokilometreillä.

Joissakin tapauksissa luotettavuus määritetään toiminnon onnistumisen todennäköisyydellä. Esimerkiksi aikataulutetun liikelennon luotettavuus voidaan määrittää todennäköisyyden vertailulukuna tai prosentteina.

Erikoistapaus toimintavarmuudelle on kertakäyttöiset laitteet tai järjestelmät, jotka ovat olemassa varalla ja joita käytetään vain kerran. Esimerkkeinä ovat autojen turvatyynyt, paristot ja ohjukset. Kertakäyttöisten laitteiden luotettavuus määritetään toiminnan onnistumisen todennäköisyytenä tai liitetään läheisiin muuttujiin. Kertakäyttöisen ohjuksen luotettavuus voidaan liittää vaatimuksiin todennäköisestä osumasta.

Järjestelmätason vaatimusten lisäksi luotettavuussuunnitelma voidaan laatia käytön kannalta kriittisille osille. Kaikissa tapauksissa luotettavuuden muuttujat kuvaavat vastaavaa tilastollista luottavuusväliä.

Luotettavuuden mallintaminen

Luotettavuuden mallintaminen prosessi, jolla pyritään ennustamaan tai ymmärtämään osan luotettavuus. Tähän tutkimukseen käytetään yleisesti kahta erillistä menettelyä:

• Vauriomekanismin mukainen lähestymistapa johon sisältyy esimerkiksi säröjen kasvu tai kemiallinen korroosio.
• Jännitysten mallintaminen on empiirinen menetelmä, jossa luetteloidaan ja luokitellaan järjestelmän osat ja jännitykset, jotka näihin osiin kohdistuu käytön aikana.

Järjestelmille, joilla on selkeästi määritetty vikaantumisväli (tätä tietoa ei aina anneta järjestelmille, joiden muuttujat eivät ole vakioita), empiirinen tiheysfunktio vikaantumisväli voidaan näistä laskea. Tämä tehdään yleisesti nopeutetussa käyttökokeessa lisäämällä kuormitusta. Nämä kokeet voidaan jakaa kahteen ryhmään:

Varhaisessa vikaantumisasteen tutkimuksessa määritetään laskeva vikaantumisaste S-käyrän alkuosalla. Tässä tarvitaan yleensä vain kohtuullisia kuormituksia. Osaa kuormitetaan vain rajoitetun ajan. Tämän vuoksi vain osa varhaisten vaurioiden esiintymisestä voidaan mitata.

Niin sanotussa ainetta rikkomattomassa testissä saadaan selville vain rajoitetusti tietoa vikojen esiintymisestä. Tässä kokeessa kuormitus, kuormitusaika tai otoksen suuruus on niin alhainen, että yksittäistä vikaantumista ei esiinny. Riittämättömän otoksen koon vuoksi vain yläraja varhaiselle vikaantumisella saadaan määritettyä. Kaikki arvot, jotka eivät johda vikaantumiseen näyttävät asiakkaista hyviltä.

Kun halutaan selvittää materiaalin luontainen murtumisherkkyys, mikä on usein materiaaliominaisuus, suuremmat kuormitukset ovat tarpeen, jotta saadaan aikaan murtuma järkevässä ajassa. Sopivasti nopeutetun koemallin löytämiseksi joudutaan testaamaan useilla kuormituksilla. Empiirinen vikajakautuma kuvataan usein Weibull-jakautumalla tai logaritmisella normaalijakautumalla.

On yleinen käytäntö kuvata varhainen vikaantumisaste eksponentiaalisella jakaumalla. Tällä yksinkertaisella mallilla on vain yksi parametri: kiinteä vikaantumisaste. Näissä tapauksissa voidaan käyttää khii toiseen -jakaumaa vikaantumisasteen sovitukseen. Verrattuna malliin laskevasta vikaantumisasteesta, tämä laskenta on varsin pessimistinen. Yhdistettynä nollavirhe kokeeseen tästä tulee vielä pessimistisempi. Tämän mallin käyttö laskee suuresti työmääriä, koska ei tarvitse määrittää mallille toista parametria (esimerkiksi Weibull-jakautuman muotoparametria tai sen luotettavuusväliä vaikka käyttämällä suurimman uskottavuuden estimointia - ja otoksen suuruus on paljon pienempi.

Vaatimukset luotettavuuden testaamiselle

Koska luotettavuus on todennäköisyys, niin hyvin luotettavatkin järjestelmät voivat vikaantua. Kuitenkin luotettavuuden testaus on useista syistä ongelmallista. Yksittäinen koe on riittämätön tuottamaan riittävää tilastollista tietoa. Kokeiden toistaminen tai pitkäaikaiset testit ovat tavallisesti hyvin kalliita. Jotkut testit ovat yksinkertaisesti toteutuskelvottomia. Luotettavuustekniikan avulla suunnitellaan realistinen ja kohtuuhintainen testiohjelma, joka tuottaa riittävästi aineistoa osoittamaan laitteiston saavuttavan luotettavuudelle asetut tavoitteet. Tilastollinen vikaantumisväli on yksi keino tähän. Esimerkiksi, jos MTBF-vaatimuksena 1000 tuntia 90% varmuustasolla, niin tämän määrittelyn pohjalta luotettavuustekniikan avulla voidaan suunnitella testi, jolla on yksiselitteiset kriteerit testausajalle ja vikojen määrälle kunnes vaatimus on täytetty tai järjestelmä ei saavuta niitä.

Luotettavuuden muuttujien arvojen ja varmuustason yhdistäminen vaikuttaa suuresti kehityskustannuksiin ja riskiin niin järjestelmien käyttäjille kuin valmistajille. Vaatimusten kokoamisessa täytyy olla huolellinen parhaan tuloksen saavuttamiseksi. Luotettavuutta voidaan testata järjestelmän, osakokoonpanojen ja osien tasolla. Myös monia testiin vaikuttavia tekijöitä, kuten äärimmäiset lämpötilat, kosteus, iskut, tärinät ja kuumuus ovat käytettävissä. Luotettavuustekniikalla määritetään tehokas testausmenetelmä siten, että kaikki osat kokevat tarkoituksenmukaiset olosuhteet. Järjestelmille, joiden täytyy kestää useita vuosia, luotettavuuden testauksessa voidaan käyttää nopeutettuja käyttöikätestejä.

Luotettavuussuunnitelman tehtäväsisältö

Luotettavuustekniikassa ohjeistetaan suuri määrä tehtäviä ja dokumentteja luotettavuudesta koskien järjestelmän kehitystä, testausta, tuotantoa ja käyttöä. Nämä ohjeistukset ovat yleisellä tasolla määritelty työn lähtötiedoissa, sopimuksissa ja tehtävään varatussa kustannusraamissa. Luotettavuussuunnitelman laadinta sisältää erilaisia analyysejä, suunnitelmia ja vikaraportointia. Valitut tehtävät riippuvat järjestelmän kriittisyydestä ja kustannuksista. Kriittinen järjestelmä voi vaatia määrämuotoista vikaraportointia ja katselmointia läpi sen kehitysprosessin, kun taas vähemmän kriittiselle järjestelmälle voi riittää raportti valmiin järjestelmän testauksesta. Yleisimmät luotettavuussuunnitelman tehtävät on dokumentoitu standardeissa kuten MIL-STD-785 ja IEEE 1332.

Luotettavuussuunnitelma

Suunnitteluvaiheessa tehdään myös päätökset, jotka vaikuttavat järjestelmän toimintavarmuuteen. Tuotekehityksen aikana koko järjestelmältä vaadittu luotettavuus vaikuttaa myös osakokoonpanojen suunnitteluun, ja tässä myös suunnittelu- ja luotettavuusinsinöörit tekevät yhteistyötä.

Luotettavuuden hahmottaminen alkaa matemaattisen mallin kehittämisellä. Luotettavuuden mallintamiseen käytetään vuokaavioita ja vikapuita, joilla saadaan graafisesti kuvattua eri osien suhteet ja asema toimintavarmuuden kannalta. Nämä mallit yhdistetään osakohtaisiin käyttöhistoriasta tunnettuihin vikaantumisennustuksiin. Vaikka nämä ennustukset eivät ole yleensä absoluuttisesti tarkkoja, ne ovat kuitenkin riittävän hyviä eri suunnitteluvaihtoehtojen keskinäiseen vertailuun. Erityisen yleistä mallien ja erilaisten analyysien käyttö on silloin kun testaaminen tulee liian kalliiksi, tai on jopa mahdotonta, esimerkiksi järjestelmän kertaluontoinen toteutus tai prototyyppien kalleus ja hajoaminen testeissä.

Useat menetelmät ja analyysit ovat teollisuudenala ja sovelluskohtaisia. Näihin sisältyvät:

• Sisäänrakennetut testit BIT (Built-in test), esimerkiksi elektroniikassa
• FMEA (Failure mode and effects analysis)
• Luotettavuuden mallinnus ja simulointi
• Lämpötekniset analyysit
• Vikapuuanalyysit
• Sähkömagneettiset analyysit
• QFD

Järjestelmän suunnittelun edetessä näitä analyysejä tutkitaan suunnittelukatselmuksissa. Luotettavuusvaatimukset on vain osa järjestelmän vaatimuksista. Suunnittelijat joutuvat etsimään optimia eri vaatimusten ja rajoitteiden keskellä.

Eräs yleisimpiä toimintavarmuutta parantavia suunnittelukeinoja on osien kahdentaminen, jota kutsutaan myös redundanssiksi. Kahdennetun osan rikkoontuessa sen pari on vielä käyttökelpoinen. Esimerkiksi, jos auton jarruvalossa on kaksi polttimoa, jolloin toisen rikkoontuessa, valo vielä toimii toisen polttimon toimiessa. Redundanssi parantaa huomattavasti laitteen luotettavuutta ja on usein ainoa käyttökelpoinen keino tähän. Redundanssi kuitenkin voi olla vaikeasti toteutettavissa ja nostaa järjestelmän kustannuksia, mikä rajoittaa sen käytön yleensä vain järjestelmän kriittisiin osiin. Toinen suunnittelumenetelmä on murtumismekaniikka, joka perustuu murtumistapahtuman kuormitus-, lujuus,- ja murtumaprosessin yksityiskohtaiseen ymmärtämiseen. Tämän avulla voidaan materiaali vaihtaa tai osa suunnitella uudelleen siten, että vikaantumisen todennäköisyys vähenee. Vikaantumistodennäköisyyttä voidaan vähentää ylimitoituksella eli käyttämällä suurempia varmuuskertoimia ja valitsemalla osia, joille sallitaan suurempi kuormitus.

Ohjelmistojen luotettavuus

Ohjelmistojen luotettavuus on luotettavuustekniikan eräs erikoissovellus. Määritelmän mukaan järjestelmän luotettavuus käsittää kaikki osat sisältäen myös ohjelmistot, käyttäjät ja prosessit. Alkujaan luotettavuustekniikka on kohdistunut järjestelmän mekaniikan kriittisiin osiin. Tietokonetekniikan yleistyessä yhä enemmän on ohjelmistoista tullut kriittisiä osia elektroniikassa ja samalla lähes kaikissa nykyaikaisissa järjestelmissä. Ohjelmistojen ja mekaniikan käyttäytymisessä on luotettavuuden kannalta on merkittäviä eroja. Useimmat mekaaniset epäluotettavuudet johtuvat osan tai materiaalin viasta, mikä estää järjestelmää suorittamasta toimintaansa. Osan korjaus tai vaihtaminen saa järjestelmän taas toimintakuntoon. Ohjelmistot eivät vikaannu samassa mielessä kuin mekaniikka. Ohjelmistojen toimimattomuus on seurausta ohjelmien toiminnan odottamattomista seurauksista. Suhteellisen pienilläkin ohjelmistoilla voi olla tähtitieteellinen määrä tuloskombinaatioita ja tiloja, jotka jäävät piileviksi laajoissakin testeissä. Ohjelmistojen palauttaminen alkuperäiseen tilaansa auttaa vain siihen saakka, kunnes sama syötteiden määrä johtaa samaan ei-toivottuun tulokseen.

Huolimatta siitä erosta, että ohjelmistot eivät kulu käytössä eivätkä vanhene samalla tavalla kuin mekaaniset osat, niin ohjelmistojen luotettavuuden laskentaan on käytetty samoja tilastollisia menetelmiä kuin mekaniikan. Mitä laajemmin ohjelmaa käytetään, sitä todennäköisemmin löytyy piileviä vikoja.

Kuten mekaniikassa, ohjelmistojen luotettavuus riippuu hyvästä määritelmästä, suunnittelusta ja käyttöönotosta. Ohjelmistojen luotettavuustekniikka perustuu paljolti kurinalaiseen ohjelmointiprosessiin ja projektinhallintaan, esimerkiksi katselmointeihin ja riskienhallintaan, joissa ennakoidaan ei-toivottuja seurauksia. Ohjelmistojen laadulla on enemmän yhteistä luotettavuuden kanssa kuin mekaniikan laadulla. Hyvin tehty ohjelmiston kehityssuunnitelma ja testaus on perusta ohjelmistojen luotettavuudelle.

Ohjelmistojen luotettavuuden mittari on virheiden määrä, joka yleensä ilmaistaan virheinä tuhatta koodiriviä kohden. Tämä mittari yhdistettynä ohjelmiston suoritusaikaan, on avain useimpiin ohjelmistojen luotettavuusmalleihin ja arvioihin. Teorian mukaan ohjelmistojen luotettavuus kasvaa virheiden määrän tai tiheyden vähetessä. Suoran yhteyden määrittäminen virhetiheydelle ja keskimääräiselle vikaantumisvälille on kuitenkin vaikeaa, koska virheiden jakautuminen koodiin, niiden vakavuus ja todennäköisyys, että tulee sellaista syöttötietoa, jotka laukaisevat vikaantumisen, vaihtelee. Vikatiheyden lisäksi käytetään muitakin indikaattoreita, kuten monimutkaisuutta tai käytettävyyttä ja käyttövarmuutta. Mikäli ohjelman käyttö on hankalaa, ja/tai ohjelma sallii käyttäjän tehdä kohtalokkaita virheitä, esimerkiksi varmentamatta käyttäjältä päätöstä, ei ohjelmaa voida pitää luotettavana.

Testaus on ohjelmistojen suhteen vieläkin tärkeämpää kuin mekaanisten osien. Paraskin ohjelmistojen kehitysmenetelmä tuottaa virheitä, joita ei löydetä ilman testausta. Ohjelmistojen suhteen testaus osina on vieläkin tärkeämpää. Toisaalta testien toistaminen ei paranna tulosten luotettavuutta kuten mekaanisilla osilla.

Ohjelmistot ja mekaaninen järjestelmä yhdistyvät ylimmällä tasolla ja ohjelmistojen luotettavuus yhdistetään mekaniikan luotettavuuteen.

Muita näkemyksiä luotettavuuteen

Vaikka luotettavuutta useimmiten käsitellään teknisestä näkökulmasta, voidaan luotettavuuteen sisällyttää myös muita näkökulmia, kuten luotettava toiminta ja luotettava ihminen. Mikäli luotettavuusajattelua laajennetaan luotettavan toiminnan näkökulmaan, voidaan yrityksessä miettiä mikä on luotettavaa asiakkaan ja muiden sidosryhmien näkökulmasta. Asiakkaalle voi olla tärkeää luotettava toimitus, eli oikean määrän toimitus oikeaan aikaan, oikeaan paikkaan, oikean laatuisena, sekä oikealla hinnalla ja oikeilla ehdoilla (katso logistics engineering), tarvittavan kapasiteetin olemassaolo ja luotettava palvelu erityisesti ongelmatilanteissa. Omistajat taas arvostavat luotettavaa tuottoa sijoituksilleen. Myös ympäristö- ja turvallisuusnäkökulmia voidaan käsitellä luotettavuuden osina.

Katso myös

• Vikasietoisuus

Aiheesta muualla

• TKK:n luentokalvoja (Arkistoitu – Internet Archive)
• Luotettavuus terveydenhoidossa (englanniksi)
• Weibull.com