MÓDULO 4 DEPENDABILIDADE. Curso de Especialização em Transporte Ferroviário de Carga

Transcrição

1 MÓDULO 4 DEPENDABILIDADE

2 Retirado de Seixas, Eduardo, Confiabilidade e Manutenibilidade, Qualytek, Rio de Janeiro, 2001.

3 1. Dependabilidade... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade A equação que considera a soma dos atributos Operação e Manutenção pode ser representada adequadamente pelas considerações da dependabilidade, ou seja, pelos atributos que representam a confiança depositada em determinado sistema em relação ao seu correto funcionamento.

4 ... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade Essa dependência, ou a dependabilidade, foi estudada inicialmente por autores americanos, que posteriormente foram traduzidas para o Francês, Alemão, Italiano e Japonês, por um grupo de trabalho intitulado Working Group 10.4 on Dependable Computing and Fault Tolerance do IFIP (International Federation for Information Processing). Avižienis et al. (2000)

5 ... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade A dependabilidade do sistema, em relação aos seus componentes, exprime bem a conotação da qualidade do serviço prestado. Veríssimo et al. (2000) O termo dependabilidade é uma tradução literal do termo inglês dependability, que indica a qualidade do serviço fornecido por um dado sistema e a confiança depositada no serviço fornecido. Weber (2001)

6 ... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade Dependability Sûreté de Fonctionnement Reliability Tradução científica Michaelis Michaelis Confiabilidade ou Garantia de Funcionamento

7 1. Dependabilidade... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade O desempenho e a dependabilidade são duas importantes características para a análise de sistemas. Usualmente, devem ser avaliadas separadamente, considerando que a primeira assume que o sistema, e seus componentes, não irão falhar; e que a segunda baseia-se nas análises da falha e do reparo e na estrutura do sistema. Das (1998)

8 1. Dependabilidade... x Desempenho Taxionomia Conceitos de Dependabilidade A dependabilidade ou segurança do funcionamento de um sistema pode ser dividida em três partes: Os atributos do sistema; Os meios de obtenção da segurança e; Os entraves para a obtenção da segurança de funcionamento. Avižienis et al. (2000)

9 ... x Desempenho Taxionomia Taxionomia 1 da Segurança de Funcionamento ou da Dependabilidade Segurança de Funcionamento ou Dependabilidade Entraves Meios Atributos 1- Taxionomia: classificação ou sistemática Defeito Erros Falha Prevenção de Falhas Tolerância às Falhas Eliminação das Falhas Previsão das Falhas Disponibilidade Confiabilidade Performabilidade Manutenibilidade Segurança Confidencialidade Integridade

10 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade Defeito ou Avaria (failure 1 ): um sistema falha quando se desvia da sua especificação de funcionamento. Podem ser evitados quando utilizamse técnicas de tolerância a falhas. O sistema está defeituoso ou avariado quando ele não pode prover o serviço desejado. Erro (error): transição do sistema, provocada por uma falha, para um estado interno incorreto. Pode provocar um defeito ou não. Pode ser observado e avaliado. Falha (fault): acontecimento que altera o padrão normal de funcionamento de um dado componente do sistema. É a causa física. São inevitáveis! 1- Alguns autores traduzem failure como falha e fault como falta. Sendo assim, chamar-se-ia tolerância a faltas já que falhas não são toleradas.

11 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade Um Um sistema defeituoso (ou (ou avariado) é aquele aquele que que contém falhas. falhas. Apesar de de uma uma falha falha ter ter o potencial de de gerar gerar erros erros (e (e por por sua sua vez vez gerar gerar defeitos), ela ela pode pode não não gerar gerar erro erro algum algum durante o período de de sua sua observação. Esta Esta falha falha pode pode não não se se manifestar até até que que o componente defeituoso seja seja usado. usado. Se Se há háum erro erro no no estado estado do do sistema, então então existe existe uma uma seqüência de de ações ações que que podem podem ser ser executadas e que que levarão a defeitos (ou (ou avarias) no no sistema, a não não ser ser que que medidas de de correção sejam sejam tomadas.

12 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade As As falhas falhas podem podem ser ser classificadas de de acordo acordo com com a sua sua persistência. Persistência Permanentes Transitórias

13 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade As As falhas falhas podem podem ainda ainda serem serem classificadas de de acordo acordo com com a sua sua origem. Causa Física Causa Humana Origem Interna Externa De Projeto Falha primária: falhas por erros de projeto. De Operação Falha secundária: falhas devido a causas externas ao projeto (trabalho em condição anormal, fora da especificação e por manutenção imprópria). Falha de comando: erro ou ruído ao comandar um componente.

14 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade As As falhas falhas podem podem ser ser classificadas de de acordo acordo com com a sua sua natureza. Natureza Acidentais Intencionais

15 Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Entraves à Dependabilidade Define-se latência de de falha falha como como o tempo tempo transcorrido desde desde a falha falha até atéo aparecimento do do erro erro originado por por ela. ela. Define-se latência de de erro erro como como o tempo tempo transcorrido desde desde o aparecimento do do erro erro até atéa manifestação do do defeito defeito originado por por ele. ele. Exemplo: A MK não liga. Defeito: A MK não liga. Erro: O motor não parte. Falha: Falta de combustível

16 Entraves à Dependabilidade 1. Dependabilidade Definições Classificação das Falhas Falhas / Erros / Defeitos Falha Meio Físico Pode ou não gerar... Falha Erro Erro Informação sobre a falha Pode ou não gerar... Defeito Defeito ou Avaria Avaliação do usuário Falha É gerado por... Erro É gerado por... Defeito

17 Falhou? Entraves à Dependabilidade Exemplos de Respostas do Sistema Saída do Sistema Resposta do Sistema Não Correta Sistema sem Falha Sim Incorreta Sem controle de Falha Sim Correta Falha Mascarada Sim Indicação de erro Falha Segura (fault secure) Sim Detecção do erro Defeito Seguro (fail safe)

18 Ligado a Confiança no Funcionamento Ligado a Validação da Confiança no Funcionamento Meios para se Obter a Dependabilidade O objetivo da utilização de técnicas para a análise de falhas é atingir a dependabilidade.

19 Ligado a Confiança no Funcionamento Ligado a Validação da Confiança no Funcionamento Meios para se Obter a Dependabilidade Ligado a confiança no funcionamento Prevenção de Falhas Como não introduzir falhas ou evitar a sua ocorrência? O estudo sobre a prevenção de falhas envolve a seleção de metodologias de projeto e de tecnologias adequadas para a escolha e a aplicação dos componentes no sistema. Tolerância a Falhas E se um raio cair? O sistema funcionará depois? O estudo sobre a tolerância a falhas considera que na ocorrência das mesmas o serviço deverá continuar sendo prestado. Algumas técnicas podem ser utilizadas para tolerar as falhas: mascaramento de falhas, redundância e detecção/recuperação de falhas.

20 Ligado a Confiança no Funcionamento Ligado a Validação da Confiança no Funcionamento Meios para se Obter a Dependabilidade Ligado a validação da confiança no funcionamento Supressão de Falhas E se os locais das falhas forem conhecidos? Minimiza-se, por verificação, a presença de falhas. Utilizam-se validadores e simuladores para depuração do sistema. Previsão de Falhas E se todos os dispositivos tiverem falhado; só nos resta prever! Estima-se, por avaliação, a presença, a criação e a conseqüência das falhas. Utilizam-se técnicas de injeção de falhas e testes de resistência.

21 Atributos da Dependabilidade São expressos em probabilidade pois são eventos aleatórios. Performabilidade: é a probabilidade de um sistema em um determinado instante apresentar um desempenho igual ou superior a um nível pré-determinado durante um certo período de tempo. Segurança: a: é a probabilidade de um sistema executar corretamente suas funções, ou descontinuá-las, de uma maneira segura sem comprometer a operação de outros sistemas. Confidencialidade: é a probabilidade de não ocorrer a divulgação não autorizada da informação, em um intervalo de tempo. Integridade: é a probabilidade de não ocorrer alterações impróprias de estado em um sistema, em um intervalo de tempo. Fundamentado em Avižienis et al. (2000), Weber (2002) e Pereira (2004)

22 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade A preocupação pela confiabilidade de sistemas se iniciou durante a Segunda Guerra Mundial por causa do tamanho e da complexidade dos sistemas utilizados. Nos anos 40, o matemático Robert Lusser desenvolveu a primeira equação associada à confiabilidade de um sistema em série. Nos EUA, as forças armadas desenvolveram estudos sobre reparo de equipamentos, custo de manutenção e falhas de equipamentos eletrônicos, criando-se um comitê de confiabilidade, que em 1952, foi transformado em um grupo permanente, chamado de Grupo Consultor de Equipamentos Eletrônicos.

23 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Em 1957 o mesmo grupo publicou um relatório que produziu uma especificação para confiabilidade de equipamentos eletrônicos para a área militar. Na década de 50, com o surgimento das indústrias aeroespacial e eletrônica, em conjunto com a implantação da indústria nuclear, ocorreu um grande salto no desenvolvimento de metodologias de cálculo e aplicações da confiabilidade. No início da década de 60, H.A.Watson desenvolveu a Análise de Árvore de Falhas, época onde ocorreu grande evolução nos estudos de confiabilidade em sistemas estruturais mecânicos e na utilização de hardware de computadores.

24 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Na década seguinte estudos se aprofundaram na área de confiabilidade de software computacional, tomando grande vulto em sistemas de energia de alta potência. A partir do início da década de 80, os países detentores de tecnologia de ponta implantaram definitivamente as técnicas de análise da confiabilidade em diversos setores da engenharia, destacando-se as áreas de sistemas eletrônicos e computacionais, de sistemas de potência, nucleares, de transportes etc. Atualmente, a engenharia da confiabilidade, responsável pelo desenvolvimento de tarefas especiais enquanto um sistema está sendo planejado, construído, manufaturado, operado e melhorado, visa assegurar que o mesmo execute sua função adequadamente, durante a vida útil projetada.

25 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade O conceito de confiabilidade está relacionado ao acontecimento de situações que prejudicam o funcionamento de um produto ou serviço e em conseqüência, ao usuário que o utiliza, podendo-se colocar vidas em risco, causar prejuízos econômicos, financeiros e ambientais. Define-se por confiabilidade como a probabilidade de que um item, equipamento ou sistema exerça a sua função sem falhas, por um período de tempo previsto, sob condições de operação especificadas. Lafraia (2001)

26 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Taxa de falhas (λ) Atributos da Dependabilidade As fases da vida de um componente pode ser expressa pela curva da banheira dada a seguir: Falha prematura Mortalidade Infantil Hiperexponencial Taxa de falhas constante durante vida útil Falhas de natureza aleatória Vida Útil Exponencial Negativa Fadiga por Desgaste Desgaste Normal Funções de Densidade de Probabilidade Representativas Tempo

27 Retirado de Seixas, Eduardo, Confiabilidade e Manutenibilidade, Qualytek, Rio de Janeiro, 2001.

28 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Quando a confiabilidade é definida quantitativamente, ela é especificada, analisada e medida tornando-se um parâmetro de projeto que pode substituir outros tais como custo e desempenho. Dhillon et al. (1981) Em um sistema com n itens idênticos, sendo testados ao longo de um período de tempo t, n f (t) falharam e n s (t) não falharam. A confiabilidade R(t) desse sistema é definida por como: R( t) n s n ( t) ( t) = ou s + n f ( t) ns ( t) R( t) = n Dhillon et al.(1981)

29 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade A confiabilidade R(t) é a probabilidade de um item, equipamento ou sistema de se encontrar em funcionamento no instante t, dado que no instante t 0 funcionamento pode ser expressa por: R( t) ( t t0 = e λ ) estava em Obs.: considerando-se que tal item, equipamento ou sistema está na fase de vida útil, ou seja, com taxa de falhas constante. Utiliza-se a distribuição exponencial negativa para descrever a sua probabilidade. A probabilidade de que um item, equipamento ou sistema falhe é dada por F(t) = 1 R(t).

30 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Outra forma muito comum para se expressar a confiabilidade é dada pelo Tempo Médio Entre Falhas (TMEF) ou Mean Time Between Failures (MTBF) TMEF Sendo TEF o tempo existente entre o fim de uma falha i em um componente e o início de outra falha (a próxima falha) no mesmo e n o número de vezes que o componente esteve em operação normal. Obs.: para avaliar componentes reparáveis, considerando-se somente o tempo de funcionamento. n i= TEF = 1 ou n i TMEF = 1 λ

31 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Para componentes não reparáveis, ou seja, que são descartados após a falha, utiliza-se o Tempo Médio para Falhar (TMPF) ou Mean Time To Failure (MTTF), expresso por: TMPF Sendo TPF o tempo de funcionamento do componente após a falha i e n o número de vezes que o componente esteve em operação normal. n TPF i i= = 1 ou n TMPF = 1 λ

32 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Estado Em Operação Componente reparável TMEF TMPF Componente não reparável Em Falha Tempo

33 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Em processos de manutenção preventiva costuma-se fazer a planificação das intervenções com base em intervalos de tempos préestabelecidos. Estes intervalos, em algumas análises, são empíricos e não levam em consideração as distribuições dos tempos para falha dos componentes. 1 1 t% = ln λ 1 p 1 = TMEFln 1 p Considerando-se uma distribuição exponencial dos tempos para falhar e sendo p uma porcentagem da população.

34 1. Dependabilidade Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Em série: n

35 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Considerando-se um sistema formado por n componentes ligados em série, sabe-se que o sistema apresentará falha caso algum de seus componentes apresente falha. A probabilidade R(t) para este sistema fica da seguinte forma: R(t) = R 1 (t) X R 2 (t) X... X R n (t) = e -(λ1+ λ λn) t = e desta maneira, o TMEF (reparáveis) e o TMPF (não reparáveis) pode ser calculado por: TMPF série = TMEF série = n 1 i= 1 λ i n i= 1 R i ( t) Para Falhas Aleatórias = Taxa de Falhas é constante

36 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Em paralelo: Atributos da Dependabilidade n

37 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Considerando-se um sistema formado por n componentes ligados em paralelo, sabe-se que o sistema apresentará falha quando todos os seus componentes apresentarem falha. A probabilidade R(t) para este sistema fica da seguinte forma: n R( t) e desta maneira, o TMEF (reparáveis) e o TMPF (não reparáveis) pode ser calculado por: TMPF = 1 par i= 1 = TMEF [1 R i ( t)] par = 1 λ n i= 1 1 i Para Falhas Aleatórias = Taxa de Falhas é constante

38 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Em standby: Atributos da Dependabilidade m

39 Histórico Curva da Banheira Confiabilidade Quantitativa Configurações Atributos da Dependabilidade Considerando-se um sistema formado por m componentes idênticos, ligados em paralelo, com um chaveamento perfeito, a confiabilidade do conjunto é expressa da seguinte forma: = n i λt ( λt) e R( t) i= 0 i! Sendo n a quantidade de componentes em standby e expressa por m 1. TMPF = TMEF stb stb = n λ Para Falhas Aleatórias = Taxa de Falhas é constante

40 Conceito Objetivos Manutenibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Conceitos de Manutenibilidade Manutenibilidade de um componente é a probabilidade desse ser recolocado em condição operacional, na qual possa realizar a função requerida, em limites de tempo desejados, quando a manutenção é feita sob dadas condições, com procedimentos e meios prescritos. Monchy (1989), Teófilo (1989), Fuzita (1997) e Lafraia (2001)

41 Conceito Objetivos Manutenibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Conceitos de Manutenibilidade Três objetivos da aplicação da engenharia de manutenibilidade: Baixo tempo inoperável e em conseqüência, maior disponibilidade; Capacidade de ser colocado em estado de operação quando retirado devido à falhas e Capacidade de ser mantido em operação mediante a inibição de falhas.

42 Conceito Objetivos Manutenibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Manutenibilidade Quantitativa O Tempo Médio para Reparo (TMPR) ou Mean Time to Repair (MTTR) de um sistema á dado por: TMPR = n λi t i i= 1 = n i= 1 Sendo µ a taxa de reparo do componente (freqüência com que os reparos ocorrem num certo intervalo de tempo). λ i 1 µ

43 RAM Disponibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Conceitos de Disponibilidade Toda organização que investe em tecnologias para manutenção, melhorando o planejamento e o controle da mesma, tem como principal objetivo disponibilizar o sistema o maior tempo possível para o cliente. Disponibilidade é a probabilidade de que, num instante de tempo qualquer, este esteja operável.

44 RAM Disponibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Conceitos de Disponibilidade Confiabilidade (Tempo de Operação) Availability Disponibilidade Manutenibilidade (Tempo de Reparo) Reliability Maintainability

45 RAM Disponibilidade Quantitativa Atributos da Dependabilidade Conceitos de Disponibilidade A Disponibilidade Operacional de um componente reparável pode ser definida como a relação entre o tempo de operação desse e o tempo total considerado, Ou seja: D = TempoOperação TempoOperação+ TempoInoperante D = ou TMEF TMEF+ TMPR

46 Avižienis, Algirdas; Laprie; Jean-Claude e Randell, Brian. Fundamental Concepts of Dependability, in Third Information Survivability Workshop (ISW- 2000), IEEE Computer Society, Boston, Massachusetts, USA, Das, Olivia, Performance and Dependability Analysis of Fault-Tolerant Layered Distributed Systems, Dissertação de Mestrado, Carleton University - Faculty of Graduate Studies and Research - Department of Systems and Computer - Ottawa, Ontario, Canada, Dhillon B.S. e Singh C. Engineering Reliability New Techniques and Applications. Editora Jonh Wiley & Sons, ISBN , USA, Dhillon B.S. Reliability Engineering in Systems Design and Operation. Editora Van Nostrand Reinhold Company, ISBN , USA, Fuzita, Carlos Roberto Kenji. Procedimento para Análise da Eficácia de Veículos Rodoviários para Fins de Mobilização. 128 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) Instituto Militar de Engenharia IME, Rio de Janeiro, 1997.

47 Lafraia, João Ricardo Barusso. Manual de Confiabilidade, Mantenabilidade e Disponibilidade. 374 pgs, Editora Qualitymark, ISBN , Rio de Janeiro, Laprie Jean-Claude. Dependability A Unifying Concept for Reliable Computing and Fault Tolerance In Dependability of Resilient Computers, T Anderson, editora BSP - Professional Books, Monchy, François. A Função Manutenção: Formação para a Gerência da Manutenção Industrial. 422 pgs, Editora Durban / Ebras, São Paulo, Pereira, Amaranto Lopes. Análise de Segurança e Confiabilidade de Sistemas de Transporte. PET/COPPE/UFRJ, Teófilo, Luiz Carlos. Um Modelo de Avaliação da Manutenção de um Veículo Ferroviário. 146 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) Instituto Militar de Engenharia IME, 1989.

48 Veríssimo, Paulo e Lemos, Rogério de. Confiança no Funcionamento: Proposta para uma Terminologia em Português, Disponível em Capturado em 19/07/2002, Weber, Taisy Silva. Tolerância à Falhas: Conceitos e Exemplos, Programa de Pós-Graduação em Computação - Instituto de Informática UFRGS, Disponível em Capturado em 20/11/2003, Porto Alegre, Weber, Taisy Silva. Um Roteiro para Exploração dos Conceitos Básicos de Tolerância a Falhas, Programa de Pós-Graduação em Computação - Instituto de Informática UFRGS, Disponível em Capturado em 20/11/2003, Porto Alegre, 2002.