Risk analysis as decision support

1
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_at_vtt.fi Vastaanotto Luentojen
yhteydessä.
2
Assistentti Sampsa Ruutu, gsm 050-351 0723,
e-mail sruutu_at_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
3
Opintojakson tavoitteet

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

4
Opintojakson sisältö ja arvioitu aikataulu
5
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

6
Luotettavuustekniikan historiaa

• 1940-luku
• Robert Lusser sarjajärjestelmän luotettavuus on
  osien luotettavuuksien tulo gt 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)

7
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 KTMn luotettavuusryhmä
• kemiallisen teollisuuden riskianalyyseja
• merkittäviä onnettomuuksia

8
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.)

9
Miksi luotettavuusanalyysia ja -tekniikkaa
tarvitaan?

• monimutkaistuneet tekniset järjestelmät
• järjestelmien häiriintymisestä johtuvat riskit
• viranomaisvaatimukset (Seveso-direktiivi,
  ydinvoimalaitosten riskianalyysivaatimukset,
  jne.)
• tuoteturvallisuus
• luotettavuustakuut
• keskeytysvakuutukset
• jne.

10
Peruskäsitteitä

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

11
Peruskäsitteitä
KÄYTTÖVARMUUSKÄSITTEIDEN HIERARKIA
12
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

13
Käyttövarmuuden mittoja

• KÄYTTÖVARMUUDEN MITAT
• KÄYTTÖVARMUUS
• kaytettävyys todennäköisyys, että kohde on
  toimintakykyinen tarkasteluhetkellä, A
• epäkäytettävyys U 1 - A
• U ?a MTTR/(MTTFMTTR)
• U osuus ajasta, jonka kohde on epäkäytettävä
• em. mitat on standardoitu
• jatkossa mitoille annetaan todennäköisyystulkinta

14
Luotettavuustekniikan sovellusalueita

• todennäköisyysperustainen turvallisuus/riskianalyy
  si
• käyttövarmuusanalyysi
• käyttövarmuussuunnittelu
• kunnossapidon ja käytön optimointi
• ympäristönsuojelu
• laadunarviointi

15
Luotettavuustekniikan osa-alueita

• luotettavuusteoria todennäköisyyslaskentaan
  perustuva luotettavuusanalyysin matemaattinen
  teoria
• komponenttien ja järjestelmien luotettavuusanalyys
  i
• rakenteellinen luotettavuusanalyysi
• inhimillisten tekijöiden luotettavuus
• ohjelmistojen luotettavuusanalyysi

16
Luotettavuustekniikka Suomessa

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

17
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?

18
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.

19
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit

• VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA
• kohteen tilaa voidaan kuvata myös tilamuttujalla

• käyttöönotto hetkellä t 0

20
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit
VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA
21
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit

• VIKAANTUMIS- TAI ELINAIKA
• satunnaismuuttujaa luonnehditaan
  TODENNÄKÖISYYSJAKAUMALLA
• nyt puhutaan ELINAIKAJAKAUMASTA tai
  VIKAANTUMISAJAN JAKAUMASTA
• kertymäfunktio

• tiheysfunktio, f(t)

22
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit

• monesti ollaan kiinnostuneita arvioimaan millä
  todennäköisyydellä uutena (hetkellä t 0)
  käyttöön otettu kohde toimii vielä hetkellä t gt 0
• kyseinen todennäköisyys voidaan arvioida
  vikaantumisajan jakauman avulla

• R(t) TOIMINTATODENNÄKÖISYYS, engl. RELIABILITY
  tai SURVIVABILITY

23
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit

• VIOITTUVUUS- l. HASARDIFUNKTIO

• z(t) f(t)/R(t) on ns. vioittuvuus l. hasardi
  funktio

24
Luotettavuus todennäköisyyskäsitteenä
vikaantumismallit

• toimintatodennäköisyys voidaan aina määritellä
  yksikäsitteisesti vioittuvuusfunktion avulla