بخشی از مقاله
چکیده
ما در این مقاله، برای اولین بار، می خواهیم به بررسی چیستی قابلیت اطمینان و نیز کیستی مهندسین اطمینان با نگرشی جدید بپردازیم. درواقع، این بررسی بدنبال پاسخ به چند سوال زیر است:
- 1آیا قابلیت اطمینان مفهومی رشته -محور است یعنی به رشته تخصصی خاصی مانند برق، مکانیک، صنایع و سازه بستگی دارد؟
- 2آیا قابلیت اطمینان مفهومی تجهیز-محور است یعنی به نوع دستگاه مورد بررسی بستگی دارد؟
- 3آیا قابلیت اطمینان مفهومی متعلق به ماشین است - چه بصورت سخت افزاری و یا نرم افزاری - یا برای سیستم های انسان-ماشین و نیز انسانی هم قابل محاسبه است؟
- 4آیا قابلیت اطمینان مفهومی متعلق به فاز طراحی و ساخت سیستم هااست یا به فاز بهره برداری و نگهداری و تعمیرات مربوط می شود؟
- 5 آیا برای درک بهتر مهندسی قابلیت اطمینان می توان آن را به دو بخش مهندسی نرم و مهندسی سخت تقسیم کرد؟
مقدمه
در بیشتر رشته های مهندسی از جمله مکانیک، برق، سازه و صنایع قابلیت اطمینان1 مفهومی آشنا و شناخته شده است. در ایران در هر کدام از این چهار رشته کتاب هایی توسط اساتید دانشگاه ترجمه و تالیف گردیده است.
اصطلاح قابلیت اطمینان نخستین بار در سال های 1800 میلادی و به منظور محاسبه بیمه عمر انسان بکار گرفته شد در حالی بعد ها این اصطلاح بیشتر برای محصولات ماشینی - مکانیکی، الکتریکی، الکترونیکی، سازه ای - و نه خود انسان مورد استفاده قرار گرفت. بکار بردن اصطلاح قابلیت اطمینان برای انسان، بخاطر 1در ادبیات موجود در زبان فارسی، از اصطلاح قابلیت اعتماد و اصطلاح پایایی هم استفاده شده است.
پیچیدگی موجودات زیستی در مقابل محصولات ماشینی قاعدتا با پیچیدگی بیشتری مواجه است، اما نمی توان گفت قابل اندازه گیری نیست.
در حقیقت، قابلیت اطمینان برای اندازه گیری کمی عملکرد صحیح قطعات، دستگاه ها و بطور کلی سیستم ها است. این سیستم ها می توانند ماشینی، انسان-ماشینی و یا انسانی باشند. اگرچه معمولا تا بحال بیشتر برای سیستم های ماشینی یا محصولات و مصنوعات مهندسی یا دست ساخت بشر بکار گرفته شده اند.
در دهه های گذشته، بحث از قابلیت اطمینان در صنایعی مانند صنایع نظامی، ارتباطات، تولید نفت، گاز و فضایی مطرح بوده است. با این حال، در دهه های اخیر، صنایع غیر نظامی مانند صنایع دارویی، بهداشتی، حمل و نقل، زیست پزشکی3، هوانوردی4، لوازم الکترونیک خانگی5 نیز مورد توجه مباحث قابلیت اطمینان قرار گرفته اند
وقتی در ادبیات موضوعی دنبال تعریفی از قابلیت اطمینان هستیم براحتی این مفهوم در دسترس ما قرار می گیرد و بصورت ریاضی و بنابراین دقیق هم تعریف می شود. می گوییم با فرض اینکه یک قطعه یا تجهیز فقط بتواند یکی از دو حالت سالم یا خراب را داشته باشد یا به اصطلاح باینری باشد می توانیم احتمال سالم بودن آن را با R نمایش دهیم و بنویسیم
این یعنی اینکه تجهیز یا دستگاه ما قطعا از کار می افتد و نمی توان دستگاهی داشت که هرگز از کار نیافتد. اما روی هم رفته احتمال سالم ماندن تجهیز ما عددی بین 0 و 1 است. حالا هرچه R به 1 نزدیکتر باشد ما دستگاه بهتری داریم و هر چه به 0 نزدیک باشد یعنی وضعیت دستگاه ما مساعد نیست. اگر قابلیت اطمینان را برای مجموعه ای از قطعات یا محصولات مشابه در نظر بگیریم بجای R خواهیم داشت R - t - که در آن t همان طول عمر محقق شده یک قطعه یا دستگاه را نشان می دهد که به صورت یک متغیر تصادفی توصیف می شود و سپس نوشته می شود:
در آن t همان طول عمر تجهیز یا مدت زمان سپری شده، T زمان شکست یا از کار افتادن تجهیز و ..., C1 , C 2 شرایط کاری تعیین شده همچون درجه حرارت و فشار می باشد. دو رابطه مهم دیگری که از این تعریف بدست می آید متوسط طول عمر تجهیز6 و نرخ شکست لحظه ای آن است:
حالا اگر از دنیای ریاضی احتمالات خارج و بدنیای واقعی فناوری ها وارد شویم می توانیم سوال کنیم که آیا می توان R - t - یک سیستم خودرو - شامل زیر سیستم های انتقال قدرت، تعلیق، ترمز، برق، موتور - یا یک سیستم هواپیما - شامل زیر سیستم های موتوری، ناوبری، مخابراتی، بال ها، چرخ ها - یا یک کشتی، یک پل، اسکله، یک نیروگاه برق و.. را محاسبه کرد؟ اگر جواب مثبت است پس چرا حتی یک مقاله یا گزارش تحقیقی نمی توان یافت که تابع اطمینان یا R - t - خودرویی مانند تویوتا یا هواپیمایی مانند بویینگ 727 را محاسبه و گزارش کرده باشد[12]؟ چرا مطالعه ای وجود ندارد که R - t - شبکه تولید، انتقال و توزیع برق یا آب یا اینترنت یا مخابرات را گزارش کرده باشد[7,11]؟ نمی توان محاسبه اش کرد یا محاسبه شده ولی بخاطر محرمانگی گزارش نمی شود؟
علیرغم بزرگی ادبیات موجود در حوزه قابلیت اطمینان در 5 دهه گذشته هنوز راه طی نشده بسیار بزرگی در پیش رو است تا بتوان به درک بهتری از قابلیت اطمینان سیستم ها نائل شد و امکان محاسبه شان را پیدا کرد.[1,7] ما در این مقاله، می خواهیم نشان دهیم که ارایه تعریف عملیاتی از قابلیت اطمینان وقتی رشته-محور و تجهیز-محور شود کارایی بیشتری پیدا می کند. منظور از رشته محور شدن این است که تعریف قابلیت اطمینان بستگی دارد به اینکه کدام محقق در چه رشته تخصصی دارد آن را تعریف می کند.
از سوی دیگر، تجهیز-محور شدن تعریف قابلیت اطمینان به این است که ما در مورد چه قطعه یا دستگاهی صحبت می کنیم. کنکاش در مورد این نوع سوالات و مطالب نزدیک به آنها از جمله اینکه آیا قابلیت اطمینان مفهومی ماشینی است، آیا تعلق به فاز طراحی و ساخت سیستم ها دارد و آیا قابل تقسیم به دو بخش مهندسی نرم و مهندسی سخت است موضوع این مقاله است که مبتنی و مستند به ادبیات موضوعی مورد بررسی قرار داده می شود.
رشته محور بودن قابلیت اطمینان
ممکن است در نگاه اول بنظر برسد قابلیت اطمینان مفهومی با تعریف مشخص است و کتاب هایی که در عنوان خود عبارت قابلیت اطمینان را دارند، از محتوای یکسانی برخوردار هستند. اگرچه در ظاهر چنین بنظر می رسد اما در باطن تفاوت بسیاری بین تعریف قابلیت اطمینان از دیدگاه یک نفر دانشمند علوم پایه - مانند یک فیزیکدان - ، یک نفر مهندس و یک مدیر وجود دارد. از طرف دیگر بین تعاریف قابلیت اطمینان یک مهندس برق یا مکانیک و یک مهندس صنایع نیز تفاوت جدی وجود دارد.
رویهم رفته چیستی قابلیت اطمینان را می توان در چند اصطلاح از هم جدا کرد: علم یا فیزیک اطمینان7، مهندسی نرم قابلیت اطمینان8 - شامل نظریه قابلیت اطمینان9یا همان مباحث مهندسی صنایعی اطمینان - ، مهندسی سخت10 قابلیت اطمینان - یا همان فناوری اطمینان 11 که بیشتر در رشته های مهندسی مکانیک، برق و... معمول است - و نهایتا مدیریت اطمینان .12 بکمک این اصطلاحات می توان همه ادبیات موضوعی موجود را طبقه بندی و ارزیابی کرد این چهار نگاه را در شکل 1 نشان داده ایم.
شکل -1 چیستی قابلیت اطمینان
علم یا فیزیک قابلیت اطمینان: به بررسی مشخصات و ویژگی های مواد و علل زوال آنها ، که منجر به شکست و خرابی اجزا و بخش ها می شود، می پردازد. همچنین به نقش فرایندهای تولید - همچون ریخته گری، ذوب و مونتاژ - در اجزای محصول می پردازد. دانشمندان فیزیک، شیمی، بیو شیمی و مهندسین مواد و متالورژی از جمله در این بخش فعال هستند.
مهندسی اطمینان: طراحی و ساخت تجهیزات یا محصولات، با در نظر گرفتن عدم اطمینان اجزای آنها موضوع مهندسی است. مهندسی اطمینان خود شامل مباحث دیگری همچون آنالیز داده ها، طراحی آزمایشات، مدل سازی، تحلیل و بهینه سازی، ارزیابی و پیش بینی است. در آنالیز داده های قابلیت اطمینان به دنبال تخمین پارامترها و انتخاب توزیع طول عمر یا شکست قطعات و یا دستگاه ها هستیم. این مبحث را می توان به دو زیر بخش کیفی و کمی تقسیم نمود: بخش کیفی به شناسایی مود های شکست و عللی که منجر به عدم اطمینان یک محصول یا سیستم می شوند، می پردازد و بخش کمی نیز با استفاده از داده های واقعی شکست و خرابی - به دست آمده از آزمون ها - و مدل های ریاضی مناسب ، به براورد تابع توزیع شکست مبادرت می ورزد. در طراحی آزمایشات به دنبال یافتن روش های تولید یا جمع آوری داده های معتبر و دقیق هستیم. منظور از مدل سازی قابلیت اطمینان ارائه مدلی است که بکمک آن بتوان مفهوم قابلیت اطمینان را در یک تجهیز عددی کرد. منظور از پیش بینی بکار گیری مدل ها و روش هایی است که از گذشته محصولات مشابه و نیز نظرات مهندسین بهره می گیرد تا بتواند قابلیت اطمینان یک محصول یا تجهیز را در مرحله طراحی پیش بینی نماید. در بهینه سازی ما بدنبال برقراری تعادل بین اهداف رقابتی همچون عملکرد، هزینه و قابلیت اطمینان هستیم.
با این حساب، همه آنچه زیر عنوان مهندسی اطمینان مطرح شد را می توان در دو بخش مهندسی نرم اطمینان و مهندسی سخت اطمینان بازشناسی کرد. دسته بندی جدید نرم و سخت تمایز بین دو نوع مهندسی را بهتر نمایان می سازد.
مهندسی نرم قابلیت اطمینان - نظریه قابلیت اطمینان - : در اینجا ما تجهیزات و محصولات را بصورت پدیده های تصادفی می بینیم و با استفاده از علوم احتمالات، آمار و فرآیند های احتمالی به مدل سازی آنها می پردازیم . تابع توزیع شکست و تابع اطمینان13 رفتار ریاضی و احتمالی یک تجهیز را نشان می دهند که بهبود آن مستلزم شناخت علمی از مکانیزم های شکست و خرابی یا همان علم یا فیزیک شکست است. این بخش را مهندسین صنایع، ریاضی دانان و پژوهشگران تحقیق در عملیات عهده دار هستند.
مهندسی سخت یا فناورانه قابلیت اطمینان: شامل طراحی و ساخت سیستم ها و محصولات، با در نظر گرفتن عدم اطمینان و مهندسی اجزای آنها است. طراحی آزمون های سنجش طول عمر و شتاب بخشیدن به طول عمر در این بخش انجام می پذیرد. تکنیک هایی مانند درخت خرابی، ریشه یابی علل خرابی، شناسایی حالت خرابی و منحنی رشد قابلیت اطمینان14 که منجر به تولید محصول با قابلیت اطمینان بالاتر می شود در این بخش مطرح می گردد. مهندسین مکانیک، برق و... عهده دار این بخش هستند.
مدیریت قابلیت اطمینان: شامل مباحث مختلف مدیریتی مرتبط با طراحی، تولید و تعمیر و نگهداری سیستم ها و محصولات قابل اطمینان می شود. تاکید بیشتر بر داشتن دید کسب و کار است، چراکه عدم اطمینان می تواند منجر به ایجاد هزینه، اتلاف وقت، و در مواقع خاص، از بین رفتن رفاه فرد یا حتی امنیت جامعه گردد.
این چهار نگاه را هم چنین در جدول 1 آورده ایم. در این جدول، نمونه کتاب هایی منتشر شده با این چهار نگاه را نشان داده ایم. در اینصورت معلوم می شود که وقتی عنوان قابلیت اطمینان را روی کتابی می بینیم بهتر است ببینیم با کدام نگاه این کتاب نوشته شده است.
جدول -1 چهار نگاه به کتاب های منتشر شده در زمینه قابلیت اطمینان
تجهیز محور بودن قابلیت اطمینان
نویسندگان حوزه قابلیت اطمینان با توجه به معیارهای گوناگون طبقه بندی های متفاوتی را از تجهیزات پیشنهاد نموده اند. ما این طبقه بندی ها را در این بخش مرور می کنیم و از آنها نتیجه می گیریم که مفهوم قابلیت اطمینان تجهیز-محور است.
بلیشکه[4] با توجه به کاربردهای مختلف محصولات و تجهیزات اهمیت قابلیت اطمینان آنها را در پنج سطح مصرفی، تجاری، صنعتی، دولتی- نظامی و زیر سازه ها طبقه بندی نموده است، همانطوری که در جدول 2 نشان داده ایم.
