Luotettavuustekniikka

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.

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.

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.