تعد وثوقية النظم system reliability من الاهتمامات الرئيسة لهندسة الوثوقية reliability engineering، وهي أحد فروع العلوم الهندسية الحديثة. ابتدأ الاهتمام بهندسة الوثوقية خلال الحرب العالمية الثانية، وتطور هذا العلم في العقود الأخيرة خصوصاً مع تطور المنظومات الكهربائية والإلكترونية والميكانيكية. إن خبرة استثمار تلك المنظومات الهندسية واستخدامها بيّنت أنه مهما كانت إجراءات تحسين جودة المنتج، فإن الحقيقة التي يجب التعايش معها هي أن هذه المنظومات معرضة للتعطل وفقدان القدرة على القيام بالمهام والوظائف المخصصة لأجلها خلال فترة ما في أثناء الاستثمار، كما أن ظهور بعض الأعطال الحرجة خلال العمل يمكن أن يؤدي إلى خسائر مادية وبشرية كبيرة يمكن أن تؤدي في بعض الأحيان إلى حوادث مؤسفة أو كوارث.
تهتم هندسة الوثوقية بدراسة أعطال النظم واحتمال حدوثها وحديتها وتأثيرها في وثوقية النظم والسلامة والبيئة، وتواجه الشركات تحديات كبيرة لتحسين وثوقية منتجاتها ورفعها؛ لكي تفي بمتطلبات الزبون ورضاه، وتقلل كلفة الضمان والصيانة في فترة الاستثمار.
تستخدم مجموعة من التعابير والمصطلحات في هندسة الوثوقية وهندسة النظم، حيث يطلق مصطلح المكوّن item على أي مستوى من مستويات النظم وخصوصاً المنظومات الإلكترونية (عنصر component ـ دارة circuit ـ كتلة module ـ نظام جزئي subsystem ـ نظام system ـ منظومة super system).
أما تعابير هندسة الوثوقية فأهمها ما يأتي:
الوثوقية reliability: هي قابلية مكوّن ما تنفيذ وظائفه المطلوبة تحت شروط محددة فترة زمنية معينة. أو هي احتمال نجاح مكوّن ما بتنفيذ وظائفه المطلوبة من دون عطل تحت شروط محددة فترة زمنية معينة.
العطل (الفشل) failure: ويعرف بأنه توقف مكوّن ما عن تنفيذ أحد وظائفه المطلوبة.
معدل الأعطال :failure rate هو عدد الأعطال الكلي لمكون ما مقسوماً على عدد الوحدات الزمنية (غالباً الساعة) خلال فترة القياس تحت شروط محددة.
نمط العطل failure mode: هو الشكل أو الطريقة التي يتعطل بها مكوّن ما عن تنفيذ وظائفه.
قابلية الإصلاح maintainability: هي خاصية المكوّن في التنبيه على الأعطال والكشف عن أسبابها وإزالتها عن طريق الإصلاح أو الخدمات الفنية وإرجاع المكوّن إلى تنفيذ وظائفه.
الجاهزية availability: هي قابلية مكوّن (تحت مجموعة عوامل من وثوقية وإصلاح) ليقوم بتنفيذ وظائفه المطلوبة تحت شروط محددة فترة زمنية معينة.
الزمن الوسطي بين الأعطال mean time between failure (MTBF): هو مقياس لوثوقية مكوّن ما قابل للإصلاح، وهو القيمة الوسطى لفترة كافية من الزمن لحدوث عدة أعطال، وتمثلها النسبة بين ذلك الزمن على عدد الأعطال خلال تلك الفترة من زمن الحياة.
الوثوقية خلال دورة حياة المنتج
تقوم فعاليات هندسة الوثوقية بدور أساسي في دورة حياة المنتج ابتداءً من دراسة الجدوى، مروراً بالتصميم ثم الإنتاج وانتهاءً بالاستثمار. ويتم عادة دراسة الوثوقية في أربع مراحل كما يأتي:
1 ـ الوثوقية في مرحلة دراسة الجدوى: يجري خلال هذه المرحلة تحديد برنامج الوثوقية اللازم للمنتج وفقاً لمتطلبات الزبون والبيئة التي سيعمل بها المنتج أو النظام.
2 ـ الوثوقية في مرحلة التطوير والتصميم: تهتم فعاليات الوثوقية في أثناء مرحلة التطوير والتصميم بالتنبؤ والتحليل والقياس لوثوقية المنتج للوصول إلى الوثوقية المطلوبة له.
أ ـ التنبؤ بالوثوقية reliability prediction:
يعتمد التنبؤ بالوثوقية لمكوّن ما على معدل الأعطال الذي بينت الحياة العملية أنه تابع للزمن كما هو مبين ويتألف من ثلاث مراحل:
¬ مرحلة الطفولة التي يتناقص فيها معدل الأعطال.
¬ مرحلة الحياة المفيدة يثبت بها معدل الأعطال (يرمز له بـ λ).
¬ مرحلة التقادم ويزداد فيها معدل الأعطال.
وتعطى الوثوقية في فترة الحياة المفيدة لمكوّن ما R(t) كتابع أسي لزمن المهمة (t) ولمعدل الأعطال (λ) على الشكل الآتي:
R (t) = e-λt… (1)
كما يحسب الزمن الوسطي بين الأعطال (MTBF) بدلالة معدل الأعطال على النحو الآتي:
MTBF = 1/ λ … (2)
يتعلق معدل الأعطال λ بعدة عوامل أهمها الحرارة والبيئة وجودة المكوّن والإجهاد المتعلق بالتصميم. يقاس معدل الأعطال «بعدد الأعطال في وحدة زمنية»، ويؤخذ معدل الأعطال والعوامل المؤثرة فيه من مصادر معلومات إحصائية عديدة أهمها المعيار الأمريكي MIL-HDBK-217 وBellcore TR-332.
يستخدم المخطط الصندوقي للوثوقية reliability block diagram للتنبؤ بوثوقية نظام مؤلف من عدة مكونات، ويعد المخطط الصندوقي للوثوقية من أهم الطرق لنمذجة الوثوقية reliability modeling ويتكون من صناديق مرتبطة على التسلسل أو التفرع، ويمثل كل صندوق وثوقية كل جزء من النظام. ويأخذ المخطط الصندوقي أحد شكلين:
Rsys =R1 Rn (3)x*... * R3 * R2 *
λsys =λ1 + λ2 + λ3 + ... + Rn (4)
ـ الربط التسلسلي: ترتبط فيها الصناديق بشكل متتالٍ ولكي يعمل النظام بنجاح يجب أن تعمل جميع مكوناته بنجاح، ويخفق النظام إذا أخفق واحد على الأقل من مكوناته. وتكون وثوقية النظام Rsys أصغر من وثوقية أي من مكوناته وتساوي جداء وثوقية مكوناته، ويكون معدل الأعطال للنظام λsys مساوياً مجموع معدل أعطال مكوناته (الشكل 2).
ـ الربط التفرعي: ترتبط فيها الصناديق بشكل تفرعي ويعمل النظام بنجاح إذا عمل بنجاح واحد على الأقل من مكوناته، ويخفق النظام إذا أخفقت جميع مكوناته. ويمثل هذا الربط استخدام المكونات الرديفة أو الاحتياط redundancy وتكون وثوقية النظام أكبر من وثوقية مكوناته وتحسب وثوقية النظام Rsys على النحو المبين في الشكل (3).
Rsys = 1- (1-R1)* (1-R2) *
(1-R3)*… *(1-Rn) (5)
ـ الربط المختلط: ترتبط فيها الصناديق بشكل تسلسلي وتفرعي، ويتم الحساب والتنبؤ بوثوقية النظام اعتماداً على المعادلات (1), (3), (5). يجري وضع المخطط الصندوقي للنظام ومكوناته هرمياً من الأعلى إلى الأسفل أو بالعكس وفق ).
ب ـ تحليل الوثوقية reliability analysis
تستخدم مجموعة من أدوات تحليل الوثوقية خلال مرحلة التطوير والتصميم لتجنب الحوادث والمشكلات، وذلك من خلال تحليل الأعطال ومسبباتها وعلاقتها مع بعضها واحتمال حدوثها وتأثيراتها في وثوقية النظام والسلامة والبيئة. من أهم أدوات تحليل الوثوقية: تحليل آثار وحراجة أنماط العطل failure mode effects and criticality analysis (FMECA)، وتحليل شجرة الأعطال fault tree analysis (FTA).
تحليل آثار وحراجة أنماط العطل FMECA:
تحليل FMECA هو منهجية تحليل الأعطال من الأسفل إلى الأعلى bottom-up أي من مستوى العنصر إلى مستوى النظام. يهدف التحليل إلى تحديد وتحليل الأعطال الخاصة المحتملة الكامنة potential failure للمكونات وتأثيرها في الوثوقية ودرجة حرجيتها على السلامة، وكيفية تجنب تأثير هذه الأعطال في إخفاق النظام، وتحديد الإجراءات التصحيحية للتخلص من تلك الأعطال الناجمة عن التصميم أو عن عمليات التصنيع والإنتاج قبل تسليم المنتج إلى الزبون.
تطبق FMECA مبكراً من مرحلة التطوير والتصميم وتحدّث مع تطور التصميم، ويجري تنفيذ إجراءات FMECA وتوثيقها بجداول وفقاً لمعايير عالمية عديدة من بينها المعيار العسكري الأمريكي MIL-STD-1629 والمعيار البريطاني BS 5760-part 5.
تحليل شجرة الأعطال FTA:
تحليل شجرة الأعطال FTA هو منهجية تحليل من الأعلى إلى الأسفل top-down أي من مستوى إخفاق حرج للنظام إلى مستوى إخفاق العنصر. يقوم هذا التحليل بتبيان العلاقة بين الأعطال ومسبباتها التي تؤدي إلى إخفاق حرج للنظام وحساب احتمال حدوث ذلك الإخفاق الذي يمكن أن يؤدي إلى حادث أو كارثة.
يتألف تحليل شجرة الأعطال من ثلاث مراحل:
¬ بناء شجرة الأعطال، وهي رسم يمثل العلاقة بين الأعطال ببوابات منطقية AND-OR من مستوى إخفاق النظام الحرج ويسمى الحدث الأعلى top event إلى مستوى إخفاق العنصر الذي يسمى الحدث الأساسي basic event.
¬ التحليل النوعي qualitative analysis الذي يتضمن تحديد مجموعات القص الصغرى minimal cut sets للأعطال التي إذا حدثت يحدث الحدث الأعلى.
¬ التحليل الكمي quantitative analysis الذي يتضمن حساب احتمال حدوث الحدث الأعلى.
ج ـ قياس الوثوقية reliability measuring
الغاية من قياس الوثوقية هو تحديد فيما إذا كان المنتج في الشكل النهائي قد حقق متطلبات الوثوقية وتحديد نقاط الضعف التي لا تزال غير مغطاة وتحتاج إلى تصحيح، والوصول إلى قناعة عالية المستوى بأن متطلبات الزبون قد تم تحقيقها. إذا كانت نتائج القياس غير مقبولة فإن قبول المنتج أو تحريره للإنتاج يتأجل إلى حين اتخاذ إجراء تصحيحي. من أهم وسائل قياس الوثوقية مجموعة من الاختبارات المحيطية environmental Tests مثل:
¬ اختبار الحياة المسرّعة accelerated life test يضمن قياس الوثوقية في زمن اختبار قصير.
¬ اختبار رفع الوثوقية reliability growth test (RGT).
¬ اختبر وحلل وصحح test analyze and fix (TAAF) لكشف الأعطال وتصحيحها.
د ـ مراجعة التصميم design review
تقوم لجنة خاصة بمراجعة التصميم للتحقق من أن التصميم المنفذ يحقق متطلبات الزبون من ناحية الأداء والوثوقية. تتألف لجنة مراجعة التصميم من عدة اختصاصات منها: هندسة نظام، هندسة التصميم، هندسة الوثوقية، هندسة الإنتاج، التسويق وشؤون الاستثمار.
تجرى المراجعة التصميمية عدة مرات خلال مراحل تطور النظام، وتسمح بتحرير النظام المصمم إلى مرحلة الإنتاج الكمي في حال تحقيقه لمتطلبات الزبون، وتحرير المنتجات المصنعة إلى الزبون أو الأسواق بنهاية مرحلة الإنتاج والتصنيع.
3ـ الوثوقية في مرحلة الإنتاج والتصنيع
تتعرض وثوقية المنتج للانخفاض في أثناء مرحلة الإنتاج والتصنيع لعدة أسباب من العيوب أهمها جودة المواد الأولية وتباينها، التباين الناتج من عمليات التصنيع والتجميع. تهدف فعاليات الوثوقية والجودة quality في المصانع إلى المحافظة على وثوقية المنتج التي تم التوصل إليها في أثناء التصميم.
من أهم فعاليات الوثوقية والجودة في المصنع على مستوى المواد الأولية والمواد المصنعة والتجميع هي الآتية:
¬ التفتيش inspection من خلال التفتيش عن المكونات المعيبة الأولية والإنتاجية.
¬ ضبط الوثوقية والجودة reliability/quality control من خلال ضبط العمليات الإنتاجية.
¬ اختبارات الغربلة screen test and burn-in وهي اختبارات محيطية للتخلص من الأعطال الطفولية في المنتجات، وتسليم المنتج إلى الزبون بالوثوقية ومعدل الأعطال المطلوبة.
¬ اختبارات القبول acceptance tests وهي اختبارات الأداء والوثوقية لقبول الزبون المنتج المتفق عليه مسبقاً.
4ـ الوثوقية في مرحلة الاستثمار
تهتم فعاليات الوثوقية والجودة بمرحلة الاستثمار أيضاً من خلال ضبط عمليات التغليف والتخزين والنقل، وفترة الضمان وخدمات الاستثمار من تدريب وصيانة وإصلاح. كما تقوم تلك الفعاليات بجمع المعلومات والملاحظات وتقوّمها للتحقق من أن وثوقية النظام قد طابقت المواصفات المطلوبة، كما تتابع الإجراءات التصحيحية للعيوب التي قد تظهر وتقدم تقاريرها إلى إدارة هندسة الوثوقية.
تتعلق مشاركة بعض فعاليات هندسة الوثوقية أو غالبيتها أو جميعها ببرنامج الوثوقية المطلوب بسبب الكلفة ووفقاً لأهمية النظام أو المنتج، مثلاً: المركبات الفضائية، الطائرات المدنية والعسكرية، منظومات الطائرات من دون طيار، محطات الطاقة، القطارات، أجهزة طبية للتشخيص والعمل الجراحي وجميعها يتطلب وثوقية عالية، في حين أن الأجهزة المنزلية مثل المذياع «الراديو» والتلفاز والحاسوب الشخصي والأجهزة الهاتفية عمرها الاستثماري محدود ومن ثم تحتاج إلى مشاركة أقل من فعاليات هندسة الوثوقية.
عبيدة السهلي
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث