Método de caracterização e análise de cenários de falhas ocultas

Abstract

Áreas de engenharia como aeroespacial, nuclear, petroquímica e comunicação envolvem sistemas complexos portadores de grande quantidade de energia. Nessas áreas é premissa de projeto a análise e identificação dos diferentes cenários operacionais e de falhas visando garantir a confiabilidade, aumentar a segurança e reduzir os riscos de acidentes. Considerando estes sistemas, o foco deste trabalho está nos cenários que envolvem as falhas ocultas. Normalmente atribuídas a falhas em sensores e componentes redundantes, as falhas ocultas não são percebidas imediatamente após sua ocorrência, pois não alteram o comportamento do sistema. Um componente redundante em falha, ou um atuador normalmente desligado são alguns exemplos de componentes sujeitos a falhas ocultas. Nesses casos, a falha só é percebida quando há a demanda pelo funcionamento do componente, podendo expor o sistema a cenários críticos dependendo do momento em que os componentes são demandados. O objetivo geral do trabalho é desenvolver um método que permita identificar falhas ocultas, os cenários de combinação de eventos que as caracterizam, avaliar a probabilidade de ocorrência desses cenários e seus impactos sobre a operação de sistemas. Para avaliar a solução proposta foi realizada a análise do sistema de combustível de aviões de caça, especificamente do tanque coletor, sob diferentes condições de voo: normal, invertido em manobra e invertido sustentado. O tanque coletor é composto por válvulas cuja função é reter combustível suficiente para executar manobras sob gravidade negativa, sendo a falha na alimentação de combustível durante a execução dessas manobras potencialmente catastrófica. Utilizando o método de Monte Carlo são obtidas amostras aleatórias de padrões de voo e ocorrência de falha que permitem verificar os cenários que resultam em falhas catastróficas do sistema ao longo do seu ciclo de vida pela falta de combustível no tanque coletor. Enquanto resultados, apresentam-se diferentes cenários de voo nos quais a aeronave está exposta a falhas ocultas, para descrever alternativas de projeto com vista a caracterizar e reduzir os riscos decorrentes destas falhas. É possível, por exemplo, evidenciar o comportamento do sistema sob diferentes condições de voo e verificar a influência que o uso de componentes diferentes no projeto do tanque tem sobre o volume de combustível disponível para a execução de manobras dentro de uma missão. Torna-se evidente a importância de combinar a ocorrência de falha com a operação do sistema para avaliar a exposição aos riscos.

Abstract : Airspace, nuclear, chemical and communications engineering involve complex systems that carry great amount of energy. It is a design goal to analyse these systems and identify different operation and failure scenarios to garantee the reliability, increase safety and reduce risks. Given the complexity of such systems, this thesis focus on the scenarios that involve hidden failures. Usually these failures are attibuted to sensors and redundant components and are not detected because they don't have an emediate effect over the system behavior. A redundant component that fails, or an electric actuator that is normally off are two examples of components that are subjects to hidden failures. In these cases the failure is only detected once the components are demanded to become active, which might expose the system to critical scenarios depending on the moment that these transitions are demanded. The main goal of this thesis is the development of a method that allows the identification of hidden failure, the combination of events that characterize them, evaluate the occurrence probability and the impact over the system operation. To evaluate the proposed solution, combat aircraft fuel systems are analysed, specifically the colector tank, under different flight conditions: inverted, inverted during maneuvers, and sustained inverted. The collector tank has a set of flapper check valves that retain enough fuel to execute negative g maneuvers, and failues in the engine feed during these maneuvers are potencially catastrophic. Monte Carlo method is used for sampling flight profiles and failure times allowing the analysis of the scenarios that result in accidents throughout the system life cycle. As a result, different flight scenarios are described when the aircraft is exposed to risk scenarios, in order to identify design alternatives to reduce the risk exposure. As an example, it is possible to simulate the system behavior using different components and check how the fuel volume behaves during the maneuvers. Is becomes clear that it is necessary to combine failure occurence and the system operation to evaluate the risk exposure when it comes to hidden failures, instead of just using traditional reliability approaches that relates hidden failures only to redundant systems.