Automatische Fehlerbaumerstellung und -analyse zeitinvarianter Netzwerke

Abstract

Bereits in frühen Phasen eines Produktentwurfs werden wichtige Entscheidungen mit gravierendem Einfluss für den kompletten Produktlebenszyklus getroffen. Deshalb ist es in dieser zunehmend kürzer werdenden Phase von großer Wichtigkeit möglichst alle Aspekte des multidisziplinären Produktentwurfs in möglichst umfassender Detaillierung zu betrachten. Da frühe Entwurfsphasen durch viele Änderungen geprägt sind, ist die gewünschte Detaillierung manuell allerdings nicht in allen Domänen umsetzbar. Eine dieser Domänen ist bisher die Zuverlässigkeitsanalyse. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse über die vollautomatische Fehlerbaumanalyse (fault tree analysis (FTA)) von nahezu beliebigen Produktarchitekturen entwickelt. Im Gegensatz zur bisherigen sehr aufwendigen, in großen Teilen manuellen Fehlerbaumanalyse, die dadurch bedingt meist erst in späteren Entwurfsphasen in ausreichender Detaillierung angewendet wird, ermöglicht diese innovative Methode durch die Automatisierung - sowohl der Erstellung als auch der Auswertung - die Berücksichtigung der Fehlerbaumanalyse bereits in den frühen Entwurfsphasen. Zur Umsetzung dieser vollautomatischen Fehlerbaumanalyse wird über graphenbasierte Entwurfssprachen ein vollständiges digitales Produktmodell erzeugt. Dieses Produktmodell beinhaltet u.a. die Definition der Topologie des Produktes, auf deren Grundlage dann die automatische Generierung des Fehlerbaumes sowie die vollständige Durchführung der Fehlerbaumanalysemethode erfolgt. Dafür wird das Modell semantisch hinsichtlich der gewünschten Fehlerbaumanalyse erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit zeigt sich, dass - unter Voraussetzung der Vollständigkeit des Produktmodells - die Fehlerbaumanalyse Teile der Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse (failure mode and effects analysis (FMEA)) beinhaltet. Wissenschaftlich bedeutet dies, dass die induktive Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse und die deduktive Fehlerbaumanalyse als zwei Sichten auf ein und das selbe Problem betrachtet werden können. Insbesondere aus einem zentralen Modell heraus kann somit die Bottom-up-Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse zusammen mit der Top-down-Fehlerbaumanalyse automatisch erzeugt und verknüpft werden. Im Ablauf der automatischen Fehlerbaumanalyse wird zunächst ein Fehlerbaum erstellt. Diese automatische Fehlerbaumerstellung wird durch eine Zerlegung der semantisch annotierten Produkttopologie in Serien- und Parallelabschnitte erreicht. Der Fehlerbaum ermöglicht dann sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Zuverlässigkeitsuntersuchung. Zur Abschätzung der Zuverlässigkeiten komplexer Topologien werden von diesen über eine Zerlegung serielle und parallele Ersatzsysteme gebildet, anhand derer eine Fehlerbaumerstellung und -analyse automatisch durchgeführt wird. Durch die Automatisierung ist mit einer entsprechenden Entwurfssprache eine Optimierung des Systems mit Bezug auf Zuverlässigkeitsaspekte in frühen Entwurfsphasen automatisch möglich. Eine Optimierung wird in Form einer Heuristik in dieser Arbeit anhand eines Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen vorgestellt, wobei sowohl parametrische als auch topologische Änderungen des Systems automatisch durchgeführt werden, um eine Zielzuverlässigkeit zu erreichen. Neben dieser gezielten Systemanpassung wird anhand des Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen eine Entwurfsraumuntersuchung vorgestellt. Die Entwurfsraumuntersuchung ermöglicht eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen verschiedenen Entwurfsparametern für die verschiedenen parametrischen und topologischen Systemvarianten. Eine Analyse der Ergebnisse erlaubt Aussagen über die Auswirkung von Topologiewechseln auf die einzelnen Entwurfsparameter. In einem weiteren Beispiel wird, neben der Illustration der Anwendbarkeit der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse, anhand eines Schiffsmotors die Modularität der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse für unterschiedlich komplexe Produkte und Prozesse demonstriert. Darüber hinaus erfolgt an diesem Beispiel eine Demonstration der Integration der automatischen Fehlerbaumanalyse in eine Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse.