신뢰성 공학

3. 신뢰성 이론

신뢰성 이론은 신뢰성 공학의 기초이다. 공학적 목적에서 신뢰성은 다음과 같이 정의된다.

'''어떤 장치가 그 의도된 기능을 명세된 기간 동안 공인된 조건 하에서 수행할 확률.'''

수학적으로 다음과 같이 표시된다.

::$R(t)=Pr\backslash \{T>t\backslash \}=\backslash int\_\{t\}^\{\backslash infty\}\; f(x)\backslash ,\; dx\; \backslash \; \backslash !$,

::여기서 $f(x)\; \backslash !$는 고장 확률 밀도 함수이고 $t$는 기간의 길이로 0부터 시작한다고 가정한다.

신뢰성 공학은 이 정의의 네 가지 주요 요소를 고려한다.

# 신뢰성은 "의도된 기능"에 대해 예측된다. 일반적으로 이는 고장 없이 작동하는 것을 의미한다. 그러나 시스템 개별 부품이 고장 나지 않더라도 전체 시스템이 의도한 대로 작동하지 않으면 신뢰성을 깎아먹는다. 시스템 요구 사항 사양이 신뢰성 측정 기준이 된다.

# 신뢰성은 정해진 기간 동안 적용된다. 실제 용어로, 이는 어떤 시스템이 t라는 시간 이전에 고장 없이 작동할 특정 확률을 갖는다는 것을 의미한다. 신뢰성 공학은 부품과 재료가 요구사항을 주어진 시간 동안 만족시키도록 확증한다. 시간 이외의 단위도 때때로 사용된다. 자동차 산업에서는 신뢰성을 거리로 명시할 수 있고, 군대에서는 총의 신뢰성을 발사한 횟수로 명시할 수 있다. 기계장비는 작동 싸이클 수로 신뢰성 등급을 받을 수도 있다.

# 신뢰성은 주어진 조건 아래에서의 작동에 한정된다. 이 조건이 필요한 이유는 무제한의 조건을 상대로 어떤 시스템을 설계하는 것은 불가능하기 때문이다. 화성 탐사 로버는 가족용 자동차와는 다른 조건이 주어질 것이다. 작동 환경은 설계 및 테스트 절차 동안 고려되어야 한다.

4. 신뢰성 프로그램 계획

신뢰성 공학의 기능은 제품의 신뢰성 요구사항을 개발하고, 적절한 신뢰성 프로그램을 수립하며, 적절한 분석과 업무를 수행하여 제품이 그 요구사항을 만족하는 것을 보증하는 것이다. 이러한 업무는 신뢰성 공학자가 진행하는데, 보통 공인된 공학 학위를 가지고 있고, 추가적인 신뢰성 고유의 교육과 훈련을 이수받는다. 신뢰성 공학은 정비성 공학, 물류 공학과 밀접히 관련되어 있다.^[12]

다수의 절차, 방법, 도구를 사용하여 신뢰성을 달성할 수 있다. 모든 시스템은 다른 수준의 신뢰성을 요구한다. 상업용 민항기는 다양한 조건 아래서 작동해야만 한다. 고장의 영향은 심대하지만 상당히 많은 예산을 투입할 수 있다. 연필깎이는 민항기보다 신뢰성이 높을 수도 있지만, 훨씬 다른 작동 조건, 심각하지 않은 고장 영향, 훨씬 낮은 예산을 가지고 있다.^[12]

신뢰성 프로그램은 정확히 무슨 절차, 방법, 도구, 해석 그리고 시험이 특정 시스템을 위해 요구되는지 문서화하기 위해 사용된다. 복잡한 시스템의 경우 신뢰성 프로그램 계획은 별도의 문서이다. 간단한 시스템의 경우 시스템 공학 관리 계획 또는 통합 물류 지원 계획과 복합될 수 있다. 신뢰성 프로그램 계획은 성공적인 신뢰성 프로그램을 위하여 반드시 필요하고, 시스템 개발 초기에 개발된다. 신뢰성 공학자가 무엇을 하는가 뿐 아니라 다른 사람들에 의해 이루어지는 업무절차도 명세한다. 신뢰성 프로그램 계획은 프로그램 최고위 관리자가 승인한다.^[12]

복잡한 시스템에 대한 신뢰성 공학은 비복잡 시스템보다 더 정교한 시스템 접근 방식을 필요로 한다. 이 경우 신뢰성 공학에는 다음이 포함될 수 있다.^[12]

• 시스템 가용성 및 임무 준비 분석 및 관련 신뢰성 및 유지보수 요구 사항 할당
• 기능 시스템 고장 분석 및 파생 요구 사항 사양
• 고유(시스템) 설계 신뢰성 분석 및 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 대한 파생 요구 사항 사양
• 시스템 진단 설계
• 내결함 시스템(예: 중복성을 통한)
• 예측 및 예방 정비(예: 신뢰성 중심 유지보수)
• 인적 요소/인간 상호 작용/인적 오류
• 제조 및 조립으로 인한 고장(탐지된 "0시간 품질" 및 신뢰성에 대한 영향)
• 유지보수로 인한 고장
• 운송으로 인한 고장
• 보관으로 인한 고장
• 사용(부하) 연구, 구성 요소 응력 분석 및 파생 요구 사항 사양
• 소프트웨어(체계적인) 고장
• 고장/신뢰성 시험(및 파생 요구 사항)
• 현장 고장 모니터링 및 시정 조치
• 예비 부품 재고(가용성 제어)
• 기술 문서, 주의 및 경고 분석
• 데이터 및 정보 획득/조직화(일반적인 신뢰성 개발 위험 로그 및 FRACAS 시스템 생성)
• 카오스 엔지니어링

5. 신뢰성 요구사항

어떤 시스템에 대한 신뢰성 공학의 첫 단계 중 하나는 신뢰성 요구 사항을 적절하게 명시하는 것이다. 신뢰성 요구사항은 시스템 자체, 시험 평가 요구 사항, 관련 절차 및 문서를 포함한다. 이러한 요구사항은 적절한 시스템/하부시스템 요구조건 사양서, 시험 계획, 계약서 등에 포함된다.^[17]

요구 조건은 신뢰성 매개변수로 명시된다. 가장 일반적인 매개변수는 고장 간 평균 시간(Mean_Time_Between_Failures, MTBF)이며, 실패율 또는 주어진 기간 내의 고장 수로도 표현할 수 있다. 이러한 매개변수들은 자동차, 기계류, 전자장치와 같이 늘 사용되는 시스템에 유용하다. MTBF가 증가하면 신뢰성도 증가한다. MTBF는 보통 시간으로 명시되지만, km나 사이클과 같은 다른 단위로도 사용될 수 있다.^[17]

다른 경우에는 임무 성공 확률로 신뢰성을 명시한다. 예를 들어, 정기 항공편의 신뢰성은 무차원 확률변수나 백분율 값으로 나타낼 수 있다.^[17]

임무 성공의 특별한 경우는 일발성 장치 또는 시스템이다. 자동차 에어백, 열 전지, 미사일 등이 이에 해당한다. 일발 신뢰성은 성공 확률로 명세되거나 관련된 매개변수에 포함된다. 일발 미사일 신뢰성은 명중률 요구 조건의 일부가 될 수 있다. 그러한 시스템의 경우, 요구 시 실패 확률(probability of failure on demand, PFD)이 신뢰성 척도가 된다. PFD는 수리 불가능한 시스템의 경우 임무 시간과 실패율로부터, 수리 가능한 시스템의 경우 실패율과 평균 수리 전 시간(mean-time-to-repair, MTTR)으로 얻어진다. 이 척도는 요구의 종류에 따라 달라지기 때문에 한 시스템에 대해 유일하지 않을 수 있다. 시스템 수준 요구 사항뿐 아니라, 중요 서브시스템에 관하여도 신뢰성 요구사항을 명세할 수 있다. 어떤 경우에나 신뢰성 매개변수는 알맞은 통계적 신뢰구간과 함께 명세되어야 한다.^[17]

신뢰성 모델링은 부품이나 시스템의 신뢰성을 예측하거나 이해하는 절차이다. 일반적으로 두 가지 조사 영역이 적용된다. 고장의 원리를 이용하는 방식은 관련된 고장 기작(예: 크랙의 전파, 화학적 부식)을 이해하는 것이다. 부품의 스트레스를 이용하는 방식은 귀납적 예측 방법으로, 시스템의 부품 종류와 수를 세고 작동 시 각 부품에 가해지는 스트레스에 바탕을 둔다.^[17]

6. 신뢰성을 위한 설계

Design For Reliability (DFR)는 제품을 신뢰성 있게 설계하는 법에 관한 분야이다. DFR의 첫 단계는 시스템의 신뢰성 요구사항을 정하고, 설계 공학자와 신뢰성 공학자가 협업하여 최상위 수준의 신뢰성 요구사항을 하부 시스템에 할당하는 것이다. 신뢰성은 시스템 설계 단계부터 근본적으로 포함되어야 한다.^[21]

신뢰성 설계는 모형 개발로부터 시작된다. 신뢰성 모형은 블록 다이어그램과 고장 수형도(fault tree)를 사용하여 시스템의 다른 부분들 사이의 관계를 시각적으로 평가할 수 있게 해준다. 이러한 모형들은 역사적인 데이터로부터 얻어진 부품수 고장률 예측을 포함하기도 한다. 비록 예측이 때때로 절대적인 관점에서는 부정확할 수도 있지만, 여러 설계안을 상대적으로 비교하는데 소중하다.^[21]

• Built-in test (BIT)
• 고장 유형 영향 분석(Failure mode and effects analysis, FMEA)^[13]
• 신뢰성 모사 시험 모형화 (Reliability simulation modeling)
• 열 해석 (Thermal analysis)
• 신뢰성 블록 선도 분석 (Reliability Block Diagram analysis)
• 고장 수형도 분석(Fault tree analysis)^[14]
• 근본 원인 분석(Root cause analysis)
• Sneak circuit analysis
• 수명 가속 시험 (Accelerated Testing)
• 신뢰성 성장 분석 (Reliability Growth analysis)
• Weibull analysis
• 전자기 해석 (Electromagnetic analysis)
• 통계적 간섭 (Statistical interference)
• Avoid Single Point of Failure

7. 신뢰성 시험

신뢰성 시험의 목적은 잠재적인 설계 문제를 가능한 한 빨리 발견하고, 궁극적으로 시스템이 그 신뢰성 요구 사항을 만족한다는 확신을 제공하는 것이다. 부품, 하부시스템, 시스템 등 여러 수준에서 시험을 수행한다.^[29] 가속 수명 시험, 실험 계획법, 시뮬레이션 등 다양한 시험 방법을 사용한다.^[10] 통계적 신뢰구간을 고려하여 시험 계획을 수립한다.^[29]

신뢰성 시험은 제품의 수명 및 예상 성능을 기반으로 제품의 신뢰성을 평가하기 위해 모델링, 통계 및 기타 방법을 사용하는 것을 말한다.^[26] 자동차, 집적 회로, 천연자원 채굴에 사용되는 중장비, 항공기 자동 소프트웨어 등 시중의 대부분의 제품은 신뢰성 시험이 필요하다.^[27][28]
다양한 수준의 신뢰성 시험복잡한 시스템은 구성 요소, 회로 기판, 장치, 조립체, 하위 시스템 및 시스템 수준에서 시험될 수 있다.^[29] 예를 들어, 환경 스트레스 스크리닝 시험을 낮은 수준에서 실시하면 문제를 더 높은 수준에서 발생하기 전에 발견할 수 있다. 시험은 각 통합 수준별로 최고 수준 시험, 개발 시험, 작동 시험까지 망라하여 진행되어 프로그램 위험도를 낮춘다.
시험의 한계와 대안모든 시스템 요구 사항을 시험하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 어떤 시스템은 시험하기에 너무 비싸거나, 어떤 고장 양태는 몇 년 후에나 관찰할 수 있다. 이러한 경우에는 가속 수명 시험, 실험 설계, 시뮬레이션과 같은 다른 접근 방식이 사용될 수 있다.
통계적 신뢰도원하는 수준의 통계적 신뢰 구간도 신뢰성 시험에서 중요한 역할을 한다. 통계적 신뢰는 시험 시간을 늘리거나 시험 항목을 늘림으로써 증가한다.
고장 정의의 중요성신뢰성 시험의 핵심 중 하나는 '고장'을 어떻게 정의하는가 하는 것이다. 많은 경우 고장이 시스템의 부족인지 분명하게 알기 힘들다. 이 문제를 해결하기 위한 한 가지 전략은 배점 회의를 여는 것이다.
시험 전략요구사항 단계의 일부로 신뢰성 공학자는 시험 전략을 고객과 함께 개발한다. 시험 전략은 가능한 한 많은 데이터를 원하는 신뢰성 조직의 요구와 비용, 일정, 가용 자원과 같은 제한 조건 사이에서 균형을 이룬다.
가속 수명 시험수명 가속 시험을 통해 현장에서 발생할 수 있는 불량을 실험실에서 더 빨리 일으킨다. 수명 가속 시험의 주요 목표는 고장 양태를 발견하거나, 높은 스트레스 아래 실험실 수명으로부터 현장 수명을 예측하는 것이다.

가속 수명 프로그램은 다음 단계로 나눌 수 있다.

• 시험의 목적과 범위를 정의한다.
• 제품에 관련된 정보를 모은다.
• 스트레스를 파악한다.
• 스트레스 수준을 정한다.
• 가속시험을 실시하고 실험 데이터를 분석한다.

• 아레니우스 모형
• 아이링 모형
• 역 Power Law 모형
• 온도-습도 모형
• 온도 비열적 모형

8. 소프트웨어 신뢰성

소프트웨어 신뢰성은 시스템 신뢰성의 한 분야로, 하드웨어와 소프트웨어의 작동 방식 차이를 고려해야 한다. 대부분의 하드웨어 불량은 부품 또는 재료 불량 때문에 발생하지만, 소프트웨어 불량은 예측하지 못한 소프트웨어 작동 결과로 나타난다. 따라서 소프트웨어를 초기 상태로 되돌려도 같은 입력과 상태에서는 같은 결과가 나온다.

소프트웨어 신뢰성 척도로는 소프트웨어 결함 밀도, 코드 복잡성 등이 있다. 소프트웨어 결함은 보통 코드 1000 라인당 불량 수로 표현되며, 이 척도는 소프트웨어 실행 시간과 함께 소프트웨어 신뢰성 예측에 중요한 역할을 한다. 이론적으로 소프트웨어 신뢰성은 결함 밀도가 낮을수록 높아지지만, 결함의 분산 방식, 위험도, 입력 조합의 확률 때문에 결함 밀도와 고장 간 평균 시간(MTBF)을 직접 연결하기는 어렵다.

하드웨어보다 소프트웨어에서 시험이 더 중요하며, 여러 수준에서 시험을 한다. 단위 테스트, 통합 테스트, 시스템 테스트 등 각 단계에서 소프트웨어 결함을 발견, 수정, 재시험한다. 신뢰성 예측은 결함 밀도와 다른 척도에 따라 갱신된다. 하드웨어와 달리, 같은 소프트웨어 설정에서 같은 시험을 반복하는 것은 통계적 신뢰도를 높이지 않으므로, 소프트웨어 신뢰도는 시험 실시 범위와 같은 다른 척도를 사용한다.

궁극적으로 소프트웨어는 하드웨어와 통합되어 시스템 신뢰성에 영향을 미치며, 소프트웨어 공학 연구소의 역량 성숙도 모델은 전반적인 소프트웨어 개발 절차를 평가하는 수단으로 활용된다.

9. 기타 신뢰성 관련 기법

• FTA
• FMEA
• VTA
• DTD
• HAZOP

10. 신뢰성 향상을 위한 5가지 원리

Human reliability|휴먼 릴라이언빌리티^영어를 향상시키기 위한 5가지 원리는 다음과 같다.

• '''배제''': 오류를 일으키기 쉬운 행동을 하지 않도록 원인 자체를 제거한다.^[19]
• '''대체화''': 스위치의 형태나 위치를 ON/OFF 상태를 쉽게 알 수 있도록 하여 실수하기 쉬운 행동을 막는다.^[19]
• '''용이화''': 알기 쉬운 행동으로 가능하게 한다.^[19]
• '''이상 검출''': 일으킨 오류를 깨달을 수 있도록 한다.^[19]
• '''영향 완화''': 오류의 파급 영향을 줄인다.^[19]

11. 리스크 평가

리스크 평가는 다음을 고려한다.

• 발생 가능성
• 영향의 치명도
• 파급 범위

12. 안전 공학과의 관계

안전 공학과 신뢰성 공학은 밀접하게 관련되어 있다. 시스템의 신뢰성이 저하되면 안전성도 저하될 수 있다.^[40]

두 분야는 목적에 차이가 있는데, 대략적으로 설명하면 다음과 같다.^[47]

13. 참고: 주요 용어

• '''MTBF''' (Mean Time Between Failures): 고장 간 평균 시간^[6]
• '''FMEA''' (Failure Mode and Effects Analysis): 고장 유형 영향 분석
• '''FTA''' (Fault Tree Analysis): 고장 수형도 분석
• '''FRACAS''' (Failure Reporting, Analysis and Corrective Action System): 불량 보고 체제, 분석 및 수정 체제

참조

_[1] 웹사이트 American Society for Quality https://asq.org/qual[...] 2024-07-24
_[2] 서적 RCM II, Reliability Centered Maintenance, Second edition (Unspecified) 2008
_[3] 학회발표 Why You Cannot Predict Electronic Product Reliability http://www.lambdacon[...]
_[4] 서적 Practical Reliability Engineering John Wiley & Sons 2002
_[5] 학술지 Improving the foundation and practice of reliability engineering 2017-06-01
_[6] 학술지 Highlights from the Early (and pre-) History of Reliability Engineering 2006-02-01
_[7] 서적 Quality Control Handbook McGraw-Hill 1988
_[8] 보고서 Reliability of military electronic equipment;report. United States Department of Defense 1957-06-04
_[9] 학회발표 Unified Field (Failure) Theory-Demise of the Bathtub Curve 1981
_[10] 학술지 Exploration on process design, optimization and reliability verification for natural gas deacidizing column applied to offshore field http://www.sciencedi[...] 2013-03-01
_[11] 서적 Practical Reliability Engineering 2012
_[12] 웹사이트 Articles – Where Do Reliability Engineers Come From? – ReliabilityWeb.com: A Culture of Reliability http://reliabilitywe[...] 2014-10-12
_[13] 학회발표 Using Failure Modes, Mechanisms, and Effects Analysis in Medical Device Adverse Event Investigations 2011-07-26
_[14] 서적 System Safety Handbook http://www.faa.gov/r[...] U.S. Department of Transportation 2013-03-19
_[15] 간행물 Reliability Hotwire 2015-07-01
_[16] 서적 Reliability Maintainability and Risk Practical Methods for Engineers Including Reliability Centred Maintenance and Safety 2011
_[17] 서적 Practical Reliability Engineering 2001
_[18] 서적 System Reliability Theory, second edition 2004
_[19] 서적 The Blame Machine, Why Human Error Causes Accidents 2007
_[20] 웹사이트 What is wrong with Reliability Engineering? http://lambdaconsult[...] Lambda Consulting 2008
_[21] 웹사이트 Design-for-Reliability Best Practices http://www.dfrsoluti[...] 2022-03-01
_[22] 학술지 Dependability Evaluation with Dynamic Reliability Block Diagrams and Dynamic Fault Trees 2009
_[23] 웹사이트 The Seven Samurais of Systems Engineering http://www.incose.or[...] 2008
_[24] 학술지 A system approach to reliability verification test design 2016-01-01
_[25] 학술지 Reliability modelling and verification of manufacturing processes based on process knowledge management https://doi.org/10.1[...] 2015-01-02
_[26] 웹사이트 Reliability Verification for AI and ML Processors - White Paper https://www.allabout[...] 2020-12-11
_[27] 학술지 Enhancing software safety by fault trees: experiences from an application to flight critical software http://www.sciencedi[...] 2005-07-01
_[28] 학술지 Design of a Large-Scale Piezoelectric Transducer Network Layer and Its Reliability Verification for Space Structures 2020-01-01
_[29] 학술지 Self-correcting inspection procedure under inspection errors http://www.eng.tau.a[...] 2003
_[30] 웹사이트 Yelo Reliability Testing http://www.yelo.co.u[...]
_[31] 학술지 We need to talk about reliability: making better use of test-retest studies for study design and interpretation 2019-05-24
_[32] 학술지 Computer Modeling and Simulation: Increasing Reliability by Disentangling Verification and Validation https://doi.org/10.1[...] 2019-03-01
_[33] 학술지 Hardware Testing of Electric Hot Water Heaters Providing Energy Storage and Demand Response Through Model Predictive Control 2019
_[34] 학술지 A metamorphic testing approach for event sequences 2019-02-19
_[35] 학술지 Organizational Reliability Model Verification in the Crisis Escalation Phase Caused by the COVID-19 Pandemic 2020-01-01
_[36] 논문 2018 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC) 2018-10-01
_[37] 논문 Optimization — the basis of code-making and reliability verification http://www.sciencedi[...] 2000-02-21
_[38] 논문 A mathematical programming model for solving cost-safety optimization (CSO) problems in the maintenance of structures 2017-01-09
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_[40] 서적 Reliability and Safety Engineering 2010-01-01
_[41] 웹사이트 INCOSE SE Guidelines http://g2sebok.incos[...] 2015-02-20
_[42] 웹사이트 8.1.1.1. Quality versus reliability http://www.itl.nist.[...]
_[43] 웹사이트 The Second Law of Thermodynamics, Evolution, and Probability http://www.talkorigi[...]
_[44] 웹사이트 American Society for Quality Reliability Division (ASQ-RD) http://asqrd.org
_[45] 웹사이트 American Society for Quality (ASQ) http://asq.org/cert/[...]
_[46] 웹사이트 Society of Reliability Engineers (SRE) http://www.sre.org
_[47] 웹사이트 Reliability engineering