Determination of system architectures based on RAMS analysis
RAMS analizine göre sistem mimarisinin belirlenmesi
- Tez No: 874196
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Raylı sistemler mühendisliği günümüz dünyasında özellikle gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler için son derece önemli bir ulaşım alternatifi olarak görülmektedir. Hızlı tren yapımı ve bu sistemlerin geliştirilmesi bu nedenle birçok dünya ülkesinin odaklarından birisi olmuştur. Bu odak noktasının en temel sebeplerinden birisi; kısa süre içerisinde emniyetli ve kesintisiz olarak minimum maliyetle taşımacalığın gerçekleşmesidir. Diğer bir yandan; hava ve karacılık ulaşımı artan teknoloji ile birlikte; insanlar ve taşımacılık şirketleri için tercih konusunda üst sıralara gelmiştir. Bununla birlikte raylı sistemler teknolojilerinin de gelişmesine ve gelişme hızının da artırılması ile ilgili bazı gereksinimlere ihtiyacı ortaya çıkmıştır.Bu gereksinimler; kullanılabilirlik ve emniyet konularının da en üst seviyelere çıkarılması hedeflenerek yürütülmüştür. Güvenilirk, kullanılabilirlik , bakım yapılabilirlik ve eminet kavramlarına yönelik adımların atılması; raylı sistemler ulaşımının gelişmesi ve sektörde olan yerinin artması için büyük bir önem taşımaktadır. Fakat, bu kavramları sağlamak için gerekli adımlar yüksek maliyetlere sebebiyet de verebilmektedir. Bu nedenle yapılan çalışmaların maliyet optimizasyonu ile birleştirilmesi ve bu şekilde yürütülmesi gerekliliği de meydana gelmiştir. Sistem operayonu öncesi,esnası ve sonrasında beklenmeyen hatalara ve sonuçlara sebebiyet verilmemesi adına; güvenilirlik çalışmaları belirli bir mühendislik bakış açısı ile yürütülmelidir. Çünkü bir sistemin güvenirliği; sisteme ait detaylı olasılıksal hesaplamalar ile mümkün kılınabilektedir. Sistem güvenilirliği bu nedenle; sistemin olasılıksal hesaplamalarının bir ölçüsüdür. Demiryolu ulaşımının artan ihtiyaç ve gelişen sistemleri ile birlikte; emniyetli ve kesintisiz ulaşım trafiğinin oluşturulması konuları daha da önemli bir hal almaktadır. Bu sebeple raylı sistemler mühendislerinin RAMS (Reliability, availability, maintability and safety) analizi üzerinde durması birçok odak noktasına çözüm niteliğini taşıyabilmekte ve böylelikle olasılıksal hesaplamaların cevaplamalarına ışık tutabilmektedir. Hataların ne derece kritik olduğu, ne zaman meydana geleceği ve ne sıklıkla meydana geleceği gibi soruların cevapları ancak ve ancak olasılıksal hesaplamalarla mümkün olabilmektedir. Bu hesaplamaların yapılması ile birlikte gerçekleşecek öngörüler ise alınacak önlemlere ve sistem mühendisliği bakış açısına yön vermektedir. Bu olasıklıksal cevaplamaları birçok bakış açısından inceleyen ve yönlendiren önemli bir mühendislik prensibi RAMS yaklaşımıdır. Demiryolu sistemlerinde hataların minimalize edilmesi ve emniyet konularında birçok çalışma yapılmıştır. Ancak, demiryolu taşımacılığı yolcu tasımacılığı için de fazlaca kullanılan bir ulaşım alternatifiği olduğu için araştırmalar genellikle belirli alandak, konulara yoğunlaşmıştır. Bütünsel bir bakış açısı ile birlikte kazaya sebebiyet verecek bir arızanın meydana gelmemesi, toplumun ve çevrenin en az şekilde zarara uğraması üzerine çalışmalar yapılmıştır. Fakat; kullanılabilirliği doğrudan hedef alarak sistem mimarisi ile ilgili maliyet gereksinimlerini, RAMS bakış açısı ile tayin eden çalışmalar yeterince bulunmamaktadır. Bu çalışma kesintisiz ulaşımı hedefleyen bir mühendislik bakış açısı ile ve yüksek kullanılabilirlik oranlarına nasıl ulaşılacağına dair hesaplamalar ile ileriki çalışmalara klavuzluk edecek bir rapor niteliğinde hazırlanmıştır. Bu araştırmada öncelikli olarak RAMS ve raylı sistemler altyapı kavramları üzerinde durulmuş, bu kavramlarla ilgili özet bir literatür bilgisi verilerek; emre amadeliğin (availability) en optimal maliyet ile yükseltebilecek metodlar ele alınmıştır. Bu yöntemler arasında bulunan yedeklemeli sistem mimarileri ayrıntılı bir şekilde incelenmiş ve bütünleyici bir bakış açısı ile birçok yönden değerlendirilmiştir. Bu mimarilere ait Güvenirlik Blok Diagramı (Reliability Block Diagram) ve Hata Ağacı Analizi (Fault Tree Analysis) gibi çeşitli modelleme analizleri üzerine de bir altyapı oluşturulmuştur. Sonuç olarak bu yedeklemeli sistem mimarilerilerinin olası kesinti maliyetlerine dair örnek çalışmalar yapılmıştır ve uygun mimariler ile kıyaslanmıştır. Çalışmalarda kesintisiz ulaşımı hedefleyen mimariler BS IEC 61508 güvenlik standardına yönelik olarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma kesintisiz ulaşımı sağlarken yani RAMS bakış açısı ile emre amadeliği artırmayı hedeflerken; bu bakış açısı ile çeşitli yedeklemeli mimarilerin maliyet yönünden incelenmesine olanak sağlamaktadır. Bu araştırma yalnızca tehlike arıza oranları üzerinden işlemlere odaklanacağından güvenilirlik (safety) bakış açısı ile incelemeler gerçekleştirecektir. Temel olarak tehlikeli olmayan hata oranının da sistemi durdurabilme olasılığının varlığını düşündüğümüzde; bu çalışmanın odak noktasının sisteme,insana ve çevreye büyük zararlar verecek hataların minamilize edilmesin odaklanılacağının vurgulanması önemli bir noktadır. Bu çalışmada; yedekleme sistemleri üzerindeki analizler raylı sistemler ulaşımında yapılacağı için bu bakış açısı kullanılmıştır. Çünkü raylı sistemlerde en önemli kriterler her zaman; insana ve çevreye ya da sistemin kendisine büyük zararlar verebilecek arızaların kesinlikle meydana gelmemesi üzerine kurgulanmaktadır. Bu araştırmanın en temel amaçlardan birisi ise; uygun mimari seçimi ile birlikte sistem gereksinimlerine ait maliyet analizlerinin de hesaba katarak genel bir bakış açısı sunmaktır. Bu nedenle öncelikle; bir sistemin duruş süresini azaltarak (sistemin çalışma süresini artırarak) duruş maliyetini minimalize edebilmek için gerekli hesaplamalar yapılacaktır. Ardından; sistemin çalışma maliyetine ve ilk yatırım maliyetine ait hesaplamalar varsayımlarla birlikte gerçekleştirilecektir. Bu tez çalışmasının en kritik odak noktalarından birisi; duruş maliyetini azaltmanın kısacası hatayı sıklığını minimalize etmenin yanı sıra tüm bu işlemleri yaparken yapılan yatırım maliyetinin de analiz edilmesidir. En uygun mimari seçimi ancak tüm maliyet analizlerinin de hesaba katılması ile mümkün olacaktır. Bu nedenle yalnızca sistemin ne kadar duruş süresini azalttığının yanı sıra ilk yatırım maliyetinin tüm bu sistem mimarisi geliştirmeleri için uygun olup olmayacağının analizleri de yapılmıştır. Nihai ve en optimal mimarinin seçimi her sistem ve her proje için farklılık göstrebilmektedir. Uygun maliyetle daha az kritik olan sistem ya da parçaların yedekleneceği mimariler; o sistemin çalışması için en ideal tercih de olabilir. Fakat kritik ve hata sonucunda büyük arıza ve sonuçlara sebebiyet verecek sistemlerde ise; ilk yatırım maliyetinin daha yüksek olduğu mimari seçimler uygun olabilektedir. Bu araştırma raylı sistemler için son derece kritik ve önemli olan sinyalizasyon sisteminin yedeklenmesi üzerinden örneklendirmeler ve çalışmalar yapmaktadır. Bu nedenle mimari seçiminde; bu yedekleme sisteminin kritikliği göz önüne alınarak analizler ve yorumlar yapılacaktır. Bu çalışmanın gerekli sistemler ya da parçalara uyarlanabilir olması ve maliyet kısıtı nedeni ile mimariler arasında en uygun seçimin yapılabilmesi mümkün kılınacaktır.Bu nedenle; literature destek ve katkı sağlayabilecek niteliktedir. Bu araştırma çalışması bir raylı sistem projesinin tasarım ve geliştirme aşamalarından tüm işletme zaman aralıkları boyunca kullanılabilir ve kesintisiz ulaşımı en dengeli mali koşullarla yapmayı hedefleyen bir klavuz niteliğindedir. Daha sonra yapılacak çalışmalar; yüksek kullanılabilirlik ve mali denge üzerindeki analizlere emniyet bakış açısı yaklaşımı ile birlikte daha bütünleyici ve kapsamlı bir çalışmaya cevap bulmak hedefinde olacaktır.
Özet (Çeviri)
Rail systems engineering is seen as a crucial transportation alternative in today's world, especially for developed and developing countries. The construction of high-speed trains and the development of these systems have therefore become a focal point for many nations around the world. One of the fundamental reasons for this focus is the ability to achieve safe, uninterrupted transportation at minimal cost within a short time frame. On the other hand, with advancing technology, air and automotive transportation have become top preferences for individuals and logistics companies. This has also necessitated the advancement and acceleration of rail systems technologies. These advancements are aimed at elevating usability and safety to the highest levels. Steps towards reliability, usability, maintainability, and safety are crucial for the development of rail transportation and its increasing prominence in the sector. However, achieving these concepts can lead to significant costs. Therefore, there has arisen a necessity to integrate cost optimization with the conducted studies. Reliability studies should be carried out with a specific engineering perspective to prevent unexpected errors and outcomes before, during, and after system operations. The reliability of a system is made possible by detailed probabilistic calculations related to the system. Therefore, system reliability is a measure of the probabilistic calculations of the system. With the increasing needs and developing systems of railway transportation, the creation of safe and uninterrupted transportation traffic has become even more important. For this reason, focusing on RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, and Safety) analysis by rail systems engineers can provide solutions to many focal points, thereby shedding light on the answers provided by probabilistic calculations. Answers to questions such as the criticality of errors, when they will occur, and how frequently they will occur can only be obtained through probabilistic calculations. The predictions made from these calculations guide the measures to be taken and the system engineering perspective. RAMS is an important engineering principle that examines and guides these probabilistic answers from many perspectives. Many studies have been conducted to minimize errors and enhance safety in railway systems. However, as railway transportation is also widely used for passenger transport, research has generally focused on specific areas. Studies have been conducted with a holistic approach to prevent any fault that could lead to accidents, aiming to minimize harm to society and the environment. However, there is a lack of studies that directly target usability and determine the cost requirements related to system architecture from a RAMS perspective. This study is prepared as a report to guide future studies with an engineering perspective that aims for uninterrupted transportation and calculations on how to achieve high usability rates. In this research, RAMS and rail systems infrastructure concepts are primarily focused on, providing a summarized literature review related to these concepts, and methods to optimally increase availability at minimal cost are discussed. Redundant system architectures among these methods are examined in detail and evaluated from multiple perspectives with a holistic approach. An infrastructure has also been created for various modeling analyses such as the Reliability Block Diagram and Fault Tree Analysis related to these architectures. As a result, sample studies on potential interruption costs of these redundant system architectures have been conducted and compared with suitable architectures. The architectures aimed at uninterrupted transportation are implemented according to the BS IEC 61508 safety standard. While this study aims to increase availability from a RAMS perspective while ensuring uninterrupted transportation, it also allows for cost analysis of various redundant architectures. This research will focus on reliability (safety) as it will focus only on processes over hazard failure rates. It is important to emphasize that this study will focus on minimizing errors that can cause significant harm to the system, humans, and the environment, considering that even non-hazardous error rates can have the potential to stop the system. This perspective has been used since the analyses on redundant systems will be conducted for rail system transportation. In railway systems, the most important criteria are always focused on preventing errors that can cause significant harm to humans, the environment, or the system itself. One of the primary objectives of this research is to provide a general perspective on system requirements and cost analyses along with appropriate architectural selection. Therefore, necessary calculations will be made to minimize downtime costs by reducing the downtime of a system (increasing its operational time). Subsequently, calculations related to the operational cost and initial investment cost of the system will be carried out along with assumptions. One of the critical focus points of this thesis is to analyze the initial investment cost while minimizing error frequency and downtime costs. The most suitable architectural selection can only be possible by taking all cost analyses into account. Therefore, analyses have been conducted not only on how much the system downtime is reduced but also on whether the initial investment cost is suitable for all these system architecture developments. The selection of the final and most optimal architecture can vary for each system and each project. Architectures where less critical systems or components are backed up at a lower cost might be the ideal choice for the operation of that system. However, for systems where errors can lead to significant failures and consequences, architectural selections with higher initial investment costs might be appropriate. This research provides examples and studies on the redundancy of the signaling system, which is extremely critical and important for rail systems. Therefore, analyses and comments will be made considering the criticality of this redundant system in the architectural selection. This study aims to be adaptable to necessary systems or components and enable the most suitable selection among architectures due to cost constraints. Therefore, it is supportive and contributive to the literature. This research is intended as a guide aiming for uninterrupted transportation with balanced financial conditions throughout all operational periods from the design and development stages of a rail system project. Future studies will aim to provide a more comprehensive and integrated response with a safety perspective approach to analyses on high usability and financial balance.
Benzer Tezler
- Uzman sisten ve otomotiv sektöründeki bir uygulama
Expert system and an application in the automotive sector
HÜSEYİN BURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERDAR TÜMKOR
- Dynamic stability analysis and parametric investigation of nonlinear friction-induced vibrations on a mass-sliding belt experiment
Kütle-kayar bant deney sisteminde doğrusal olmayan sürtünme kaynaklı titreşimlerin dinamik kararlılık analizi ve parametrik incelenmesi
AKİF YAVUZ
Doktora
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
- Visual object recognition and detection using deep learning
Derinlikli öğrenme ile görsel nesne tanıma ve tespit etme
BURAK ÇÖREKCİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE GÜNSEL KALYONCU
- Hopfield modeli yapay sinir ağları ve uygulamları
Hopfield model neural networks and applications
HÜSEYİN ERBİLGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. LEYLA GÖREN