Posts Tagged with "PMHF"

既に発行済みのブログであっても適宜修正・追加することがあります。
We may make changes and additions to blogs already published.

PMHF式の導出

posted by sakurai on July 17, 2016 #15

DPFの場合のPMHFの導出

エレメントAが先に故障し、引き続いてエレメントBが故障する場合のDPFのPMHFは「エレメントAが故障してレイテント状態になっている場合にエレメントBが故障する、車両寿命間のDPF確率の時間平均」であり、DPF(2)で求めたように、(14.6)を用いて $$ M_{PMHF,A\rightarrow B}==\frac{1}{T_{lifetime}}F_{A\rightarrow B}(T_{lifetime})\approx\frac{1}{2}\lambda_{A,DPF,l}\lambda_B T_{lifetime}\tag{15.1} $$ と求められます。

故障がレイテントとなる場合

ところが(15.1)はまだ場合分けが不足しています。先にエレメントAに起きた故障がレイテントになる場合は、一般的には時刻$t=\tau$において、安全機構の検出漏れとなる場合ですが、さらに安全機構の検出が間に合わない場合、言い換えれば検出までにエレメントAに故障が起きる場合も加える必要があります。なぜなら、安全機構は検出周期$\tau$で検出しますが、$\tau$までにエレメントAに発生した故障は$\tau$までは検出されないため、その間はレイテントとなる可能性が若干でも存在するからです。

この点について次稿で掘り下げて行きたいと思います。


左矢前のブログ 次のブログ右矢

DPF(2)

posted by sakurai on July 9, 2016 #14

DPFの定義

ISO26262でいうDPFは、前述のように、まずエレメントAの故障がおき、かつレイテント状態(故障分類(1)で解説)になっていて、それに関連するエレメントBの故障が引き続いて起きた場合が対象となります。ここで関連するとは、エレメントAが主機能の場合はエレメントBは安全機構、エレメントAが安全機構の場合はエレメントBは主機能という意味です。主機能とそれとは別の主機能の故障はDPFとは考えず、一点故障が別々の主機能に2回起きたと考えます。

さて、DPFの確率計算を行う場合、単純に主機能故障の起きる確率$PoF_{M,T_{lifetime}}=\Pr\{X_M\lt T_{lifetime}\}$と安全機構の故障の起きる確率$PoF_{SM,T_{lifetime}}=\Pr\{X_{SM}\lt T_{lifetime}\}$の乗算とはなりません。一般に安全機構が故障するとレイテントになる可能性が大であり、主機能は冗長構成を取らない限り、故障してレイテントになることはありません。従って、主機能故障がレイテントになる確率と安全機構がレイテントになる確率は異なるため、主機能と安全機構のどちらが先に故障したかで場合を分けて計算を行います。

A⇒BのDPFの確率計算

エレメントAが故障してレイテント状態になっている場合にエレメントBが故障する確率の導出を行います。まず、時刻$t$において、エレメントAが故障してレイテントとなっている場合の確率は、時刻$t$におけるエレメントAの不信頼度に他ならないため、(14.1)となります。 \[ \Pr\{\text{A is a latent state at }t\}=\Pr\{X_A\leq t\}=F_A(t)\tag{14.1} \]

次に、時刻$t$までエレメントBは故障しておらず、時刻$t+\Delta t$までの微小区間$(t, t+\Delta t]$にBが故障する微小確率$\Pr\{\text{B receives a fault in}(t, t+\Delta t]\}$は、(14.2)となります。 \[ \Pr\{\text{B receives a fault in}(t, t+\Delta t]\}=\Pr\{t\lt X_B\leq t+\Delta t\}=F_B(t+\Delta t)-F_B(t)\\ =f_B(t)\Delta t=\lambda_B R_B(t)\Delta t\tag{14.2} \]

従って、$(t, t+\Delta t]$の微小DPF確率は両者の積となるため、(14.3)となります。

式49(14.3)

$\Delta t\rightarrow 0$とした極限を$dt$で表し、0から$t$まで積分すると、時刻$t$までのDPF確率が(14.4)として求められます。

式77(14.4)

ここでexponential関数のマクローリン展開は(14.5)です。 \[ e^x=1+x+\frac{x^2}{2}+\cdots\tag{14.5} \]

(14.5)の2次の項までとり(14.3)に代入すれば、(14.6)のようにA⇒BのDPFの確率の近似式が求められます。

A⇒BのDPFの確率の式:

式79(14.6)

左矢前のブログ 次のブログ右矢

DPF

posted by sakurai on June 24, 2016 #13

信頼度と故障率の関係式

DPF(Dual Point Failure; 2点故障)を説明する前に、時刻$t$から時刻$t+\Delta t$までの時間にエレメント$A$に関して起こる故障について、図13.1に示します。

fig13.1
図13.1 エレメントAに関して起こる故障

時刻$t$において、故障していない確率が$R_A(t)$であり、時刻$t+\Delta t$までの$\Delta t$時間における信頼度$R_A(t)$の減少分は、(2.6)から$\lambda_A R_A(t) \Delta t=f_A(t)\Delta t$となることから、

\[ R_A(t+\Delta t)=R_A(t)-\lambda_A R_A(t) \Delta t\tag{13.1} \]

DPFを考えるためにエレメント$A$とエレメント$B$の故障を考えます。エレメント$A$,$B$の故障は独立して起こるので、以下のようになります。

fig13.2
図13.2 エレメントA及びBに関して起こる故障

DPF

さて、次にエレメント$A$,$B$が有り、$A$が主機能の場合は$B$はそれに関する安全機構、$A$が安全機構の場合は$B$はそれに関する主機能であるとします。DPFの定義は

主機能または安全機構が故障してレイテント状態であるときに、それに関する安全機構または主機能の故障が起きること

であるため、「エレメントAが故障してレイテント状態であるときに、エレメントBの故障が起きること」を$A\Rightarrow B$で表し、「エレメントBが故障してレイテント状態であるときに、エレメントAの故障が起きること」を$B\Rightarrow A$で表すとき、以下の図13.3のように、どちらが先に故障するかによって、$A\Rightarrow B$または$B\Rightarrow A$の2つの場合となります。また、それらは排他であるため確率は和で表されます。

fig13.3
図13.3 片方がレイテント状態であるときに、他方の故障


左矢前のブログ 次のブログ右矢

故障分類(2)

posted by sakurai on June 9, 2016 #12

SPF/RF

SPF(Single Point Failure; 一点故障)、RF(Residual Failure; 残余故障) はほぼ同義で、単一の故障により安全目標侵害する可能性のある故障です。前稿の故障分類チャートに拠ればSPFは安全機構が存在しない故障であり、また、RFは安全機構が存在するが診断カバレージ(DC)から漏れる部分の故障です。これをPart10 8.1.8「フォールトの分類及びフォールトクラス寄与度計算のフローチャート」でのDCの定義$K_{FMC,RF}$を用いれば、 \[ \lambda_{RF}=(1-K_{FMC,RF})\lambda_{M,PVSG}\tag{12.1} \]

となります。後で説明するように、SPF/RFを単純化記法でSPFまたはRFと記述することがあるのでご注意ください。(12.1)の場合はRFと表記していますが、SPF/RFの意味です。いうまでもなくRFの式(12.1)において、カバレージ$K_{FMC,RF}=0$の時はSMが存在しないのと同義であり、SPFを意味します。

さて、SPFに対するPMHFは(10.2)、(10.3)、及び(12.1)を用いれば、 $$ M_{PMHF,SPF}=\frac{1}{T_{lifetime}}F_{SPF}(T_{lifetime})\approx\lambda_{RF}\\ =(1-K_{FMC,RF})\lambda_{M,PVSG},~~\mbox{s.t.}~~\lambda_{RF}T_{lifetime}\ll 1\tag{12.2} $$

と求められます。

広義のSPFと教義のSPF

ここで、一般的に用語SPFの使用法には狭義(SPFとRFを分ける)と広義(RFを含む)の2種が有り、(12.2)左辺では広義の単一故障の意味で用いています(図12/1上段)。一方、SPF/RFという記法もあり、このほうが紛れがありませんが長くなるためあまり用いられません(図12.1中段)。また(12.2)右辺のように、単一故障をRFと表記する場合もあり、これは単一故障のほとんどがRFであるためです(図12.1下段)。式を読む場合には、字面にとらわれることなく、紛らわしい用語の使用法については意味を考えて読む必要があります。

式a91
図12.1 SPF及びRFの使い分け

左矢前のブログ 次のブログ右矢

故障分類

posted by sakurai on May 31, 2016 #11

故障分類フローチャート

前回説明したPMHFは「アイテムの車両寿命間の平均的な故障率」でしたが、この故障の中身を見ていきます。ISO26262では3重故障以上の故障については安全側故障としています。これはその確率が非常に小さいので省略可能なためです。SPFとDPFの事象は排他であるため、PMHFは(10.4)を用いてSPFのPMHFとDPFのPMHFの和となります(11.1)。ここでSPF(Single Point Failure; 1点故障)とDPF(Dual Point Failure; 2点故障)の定義を故障分類フローチャートに従って理解することが重要です。 $$ M_{PMHF}=M_{PMHF,SPF}+M_{PMHF,DPF}=\frac{1}{T_{lifetime}}\lbrack Q_{SPF}(T_{lifetime})+Q_{DPF}(T_{lifetime})\rbrack\tag{11.1} $$

故障分類フローチャートはISO26262Part5にも掲載されていますが、より詳細なものがPart10に掲載されています。ただ、訳が適切でなかったり、概念的に混同しやすいため、弊社ではこれをリプリントした教材を作成して販売しています(図11.1)。

図11.1
図11.1 故障分類フローチャート

その特長は、

  • 訳をわかりやすく修正
  • 確率的フローチャートであること
  • あくまで1つめの故障分類であること
  • 主機能と安全機構の切り分けの明示

等です。故障分類フローチャートで分類された故障率のうち、特にレイテント故障率は以降で大変重要になってくるため、ぜひ理解しておいていただきたいと思います。

SMの種類

ここで、2つのSMの種類に便宜上名前をつけます。規格では特にSM(Safety Mechanism)としか書かれていませんが、SMには明確にその特性の違いがあり、これはPart5またはPart10の故障分類フローチャートで定義されています。

  • 1st SM ------- 主機能が安全目標を侵害するのを防止する安全機構(Part1 1.111備考2 a))
  • 2nd SM ------ 主機能又は安全機構の故障を検出し、レイテント状態を防止する安全機構(Part1 1.111備考2 b))

規格で明確な名前の区別が無いため、現場では「レイテント状態を防止するSM」等の長い説明を毎回しなければならないためとても不便を感じています。規格で名前を定義してあればよかったのですが。

レイテント状態

規格には特に定義は書かれていませんが、FSマイクロ株式会社では後の理解がしやすくなるため、レイテント(故障)状態を定義しています。

レイテント状態とは、エレメントA(主機能または安全機構)において、関連する1st SMにより安全目標の侵害が阻止されている状態でかつ2nd SMにより故障検出がされない状態を表します。上記故障分類チャートによれば、レイテント状態になるには以下の2つのルートが存在します。

  • 主機能が1st SMにより安全目標侵害から阻止されている場合
  • 安全機構が故障した場合

いずれのルートもオレンジの判定ボックスに到達し、そこで2nd SMにより故障検出の判定が行われます。故障のうち検出される部分はレイテント状態が解消されます。一方検出されない部分は(ドライバーにより認識されなければ)レイテント状態のままとなります。


左矢前のブログ 次のブログ右矢

PMHFの意味

posted by sakurai on May 25, 2016 #10

PMHFの規格式

(10.1)はISO 26262 Part10に掲載されている、「安全機構に続いて指令ブロックの故障が引き起こされる可能性を考慮した」(※)場合のPMHF式です。

\[ M_{PMHF} = \lambda_{RF} + \frac 1 2 \lambda_{M,MPF}(\lambda_{SM,MPF,l}T_{lifetime}+ \lambda_{SM,MPF,d}\tau) \tag{10.1} \]

ご注意頂きたいのは、これはPMHFの定義ではないことです。ISO 26262では、(書かれていない)数学的な定義を前提として導出されたPMHFの結果式(10.1)だけが提示されており、導出過程や前提の説明がほとんどありません。従って、このブログでPMHF式の導出について説明していきたいと思います。

※その前に、FSマイクロ株式会社では、(10.1)が「安全機構が故障して次に主機能が故障する場合」という規格の前提は誤りと考えます。(10.1)式の第1項の$\lambda_{RF}$は、主機能が故障して安全機構が安全目標侵害を防止した残余(RF=Residual Fault)の故障率なので、安全機構は動作していなければならないはずです。よって、(10.1)の式の条件は、正しくは「主機能のフォールトで故障(SPF/RFもしくはDPF)となる場合」です。明らかに、(10.1)右辺の第1項がSPF/RFによる効果、第2項がDPFによる効果です。

原文は「MPMHF, considering the conditional probability that a failure of the safety mechanism is followed by a failure of the mission block」ですので、原文から誤っています。一方訳文にも問題があり、数学用語である条件付き確率(conditional probability)を正しく訳さずに可能性という曖昧な翻訳になっています。

PMHFの弊社による定義

前述のように、ISO26262規格にはPMHFの数学的定義は書かれておらず、(10.1)の結果式のみが掲載されています。そのため、まず弊社によるPMHFの定義を示します。

PMHFとは、ランダムハードウェア故障のメトリック(数値目標)で、正確に表現すれば「アイテムの車両寿命における不稼働率($\approx$故障確率)の時間平均」となります。単なる故障確率ではなく、修理も含めた不稼働確率です。数学的に書くと(10.2)のとおりです。 $$ M_{PMHF} :=\frac{1}{T_{lifetime}} \Pr\{\text{item down at } T_{lifetime}\} \tag{10.2} $$ 規格には数学的な定義は無いものの、PMHFの説明として、

  • “Average probability of failure per hour over the operational lifetime of the item” (アイテムの運用寿命における1時間あたりの平均故障確率) [Part5 9.4.2.1 NOTE 1]
  • “Quantitative target values for the maximum probability of the violation of each safety goal at item level due to random hardware failures” (ハードウェアのランダム故障によるアイテムレベルでの各安全目標の違反の最大確率の定量的な目標値) [Part 5 9.4.2.2]

との説明があるため、それらを統合した、「ハードウェアのランダム故障によるアイテムの運用寿命における安全目標違反確率の時間平均」が妥当な定義だと思われます。そして、安全目標違反は直ちに運行停止=不稼働となるため、この定義は(10.2)に他なりません。

PUA

ここで、時刻$t$におけるitemの不稼働率(Point Unavailability; PUA)である$Q_{item}(t)$を考えます。 $Q_{item}(t)$は以下の式で定義される、ある時刻$t$においてアイテムが稼働していない確率です。

$$ Q_{item}(t):=\Pr\{\text{item down at } t\} \tag{10.3} $$ 従って、(10.3)を(10.2)に用いれば、PMHFは $$ M_{PMHF} :=\frac{1}{T_{lifetime}}Q_{item}(T_{lifetime}) \tag{10.4} $$ と表されます。一方、稼働率(Point Availability)$A_{item}(t)$は、(10.5)に示すように、1からPUAである$Q_{item}(t)$を引いたものです。 $$ A_{item}(t):=1-Q_{item}(t)\tag{10.5} $$ 稼働率はまた、修理が可能なitemにおいて、

  • $t$までに一度も故障が起きない確率と、
  • $t$までに故障が起きて修理された後、$t$までに故障が起きない確率

の2つの部分に分けられます。これを数式で書けば、 $$ A_{item}(t)=\Pr\{\text{item up at } t\} \\ =\Pr\lbrace{\text{item not failed in }(0, t]\rbrace} + \displaystyle \sum_{i=1}^{n} \Pr\lbrace{\text{item repaired at }\tau_i \cap \text{item up in }(\tau_i, t]\rbrace} \tag{10.6} $$ となります。(10.6)式の意味は、Point Availabilityは、Reliability(1度も故障しない確率)に加えて、各検査インターバルで故障検出を行い、検出された分については全て修理した上で、それが現在まで故障しない確率との和ということです。ここで注意すべき点は、検査は定期検査であることです。ISO 26262は定期検査・修理が前提となっています。

Point Availabilityに関してはQuality and Reliability of Technical Systemsの166ページに示されています。

図%%.1
図10.1 Point Availability

同著者の同内容が確認できます。この教科書では検査及び修理は分布関数により与えられるものとなっており、より一般的な議論となっています。

PMHFの意味

ここで、(10.5)と(10.6)をPMHFの定義式(10.4)に代入すれば、 $$ M_{PMHF}=\frac{1}{T_{lifetime}}Q_{item}(T_{lifetime})=\frac{1}{T_{lifetime}}\left[1-A_{item}(T_{lifetime})\right]\\ =\frac{1}{T_{lifetime}}\left[1-\Pr\{\text{item not failed in }(0, T_{lifetime}]\}\right]\\ -\frac{1}{T_{lifetime}}\displaystyle \sum_{i=1}^{n} \Pr\{\text{item repaired at }\tau_i \cap \text{item up in }(\tau_i, T_{lifetime}]\}\\ =\frac{1}{T_{lifetime}}\Pr\{\text{item failed in }(0, T_{lifetime}]\}\\ -\frac{1}{T_{lifetime}}\displaystyle \sum_{i=1}^{n} \Pr\{\text{item repaired at }\tau_i \cap \text{item up in }(\tau_i, T_{lifetime}]\} \tag{10.7} $$ (10.7)のうち、第2項である修理される部分を一旦無視すれば、$X_{item}$を無故障運転時間を表す確率変数(random variable)としたとき、CDF(Cumulative Distribution Function)であるF(t)を用いて、 $$ M_{PMHF}\approx\frac{1}{T_{lifetime}}\Pr\{\text{item failed in }(0, T_{lifetime}]\}\\ =\frac{1}{T_{lifetime}}\Pr\{X_{item}\lt T_{lifetime}\}=\frac{1}{T_{lifetime}}F_{item}(T_{lifetime})\tag{10.8} $$ (10.8)に対して、不信頼度$F(t)$の近似式である(7.2)を用いて $$ F_{item}(t)=1-e^{-\lambda_{item}t}\approx \lambda_{item}t, ~~\mbox{s.t.}~~ \lambda_{item}t \ll 1 \tag{10.9} $$ を適用すれば、次の(10.10)が得られます。 $$ M_{PMHF}\approx\lambda_{item},~~\mbox{s.t.}~~\lambda_{item}T_{lifetime}\ll 1\tag{10.10} $$ これにより、PMHFは$\lambda_{item}T_{lifetime} \ll 1$の場合に「アイテムの車両寿命間の平均的な故障率」とみなすことができます。

先に無視した修理分を含めれば、その故障率は(10.7)の第2項の修理分だけ下がるため、それを合わせればPMHFは(10.4)のように「アイテムの車両寿命間の平均的な不稼働率」と一般化されます。

※このブログは2016年に書かれたものであり、新しい研究結果を以下に連載していますので、参考にしてください
http://fs-micro.com/blogSummary/#/blogSummary/tab/PMHF+derivation.html


左矢前のブログ 次のブログ右矢


ページ: