信頼性指標と冗長化設計

信頼性は、システムが故障しにくく、故障しても速やかに回復し、必要な機能を維持できる性質である。信頼性を数値で評価する指標として、MTBF、MTTR、稼働率がある。また、故障への設計の考え方として、フォールトアボイダンス、フェールセーフ、フェールソフト、フォールトトレランスの四つを区別して理解する必要がある。

信頼性指標と稼働率

MTBFは平均故障間隔、MTTRは平均修復時間を表す。稼働率は、MTBFをMTBFとMTTRの和で割った値として定義される。したがって、稼働率はMTBFとMTTRの比によって決まり、両者を同じ倍率で変えても稼働率は変わらない。MTBFとMTTRがともに1.5倍になった場合、稼働率は従来と同じ値になる。 変数で表した同じ構造の問題でも、分子と分母が同じ倍率で変わるため比が変わらず、稼働率は従来と同じになる。

稼働率を上げるには、MTBFを長くするか、MTTRを短くする必要がある。MTTRを短くする手段として、エラーログを取得する機能は、障害の原因や発生状況の把握を速め、復旧に必要な調査や修理の時間を減らすため有効である。一方、予防保守は故障の発生を防いでMTBFを長くする対策である。 両者を取り違えると、対策の効果を誤って評価することになる。

故障率と指数関数

偶発的な故障が一定の割合で起きるとみなせる場合、稼働時間tの間に故障しない確率は指数関数exp(−λt)で求められる。λは単位時間当たりの故障発生率であり、故障発生率が一定であることが前提になる。故障発生率が1.0×10⁻⁶回／秒の機器では、330時間は1,188,000秒なので、λtは約1.188となる。故障していない割合は約0.305となり、10,000台のうち約3,000台が故障していない。 同じ数値条件の問題でも、故障した機器は修理しないという前提のもとで台数を計算する。

故障の時間的傾向

故障率の時間変化は、初期故障期、偶発故障期、摩耗故障期の三つに分けて捉える。初期故障期は、設計ミスや製造上の欠陥によって故障が集中する期間であり、出荷前の試運転やエージングで取り除く対策を取る。偶発故障期は、故障率がほぼ一定の期間であり、使用環境などに起因する予測しにくい故障が偶発的に起きる。この期間には予備部品を用意しておき、故障時に交換できるようにする。 摩耗故障期は、疲労や摩耗、劣化によって故障率が上がる期間であり、部品交換などの予防保全を行う。

故障への設計思想

故障への考え方は、故障の発生を避けるのか、故障時の振る舞いを定めるのか、故障しても機能を続けるのかで区別する。