Resilience Analysis and Design Methodology Considering False Alarms for Complex Engineered Systems

Abstract

it estimates a healthy engineered to be faulty, resulting unnecessary system shutdown, inspection, and – in the case of incorrect inspection – unnecessary system repair or replacement. Although false alarms make a system unavailable with capital loss, it has not been considered in resilience engineering. To cope with false alarm problems, this research is elaborated to advance the resilience engineering considering false alarms. Specifically, this consists of three research thrusts: 1) resilience analysis considering false alarms, 2) resilience-driven system design considering false alarms (RDSD-FA), and 3) resilience-driven system design considering time-dependent false alarms (RDSD-TFA). In the first research thrust, a resilience measure is newly formulated considering false alarms. This enables the evaluation of resilience decrease due to false alarms, resulting in accurate analysis of system resilience. Based upon the new resilience measure, RDSD-FA is proposed in the second research thrust. This aims at designing a resilient system to satisfy a target resilience level while minimizing life-cycle cost. This is composed of three hierarchical tasks: resilience allocation problem, reliability-based design optimization (RBDO), and PHM design. The third research thrust presents RDSD-TFA that considers time-dependent variability of an engineered system. This makes one to estimate life-cycle cost in an accurate and rigorous manner, and to design an engineered system more precisely while minimizing its life-cycle cost. The framework of RDSD-TFA consists of four tasks: system analysis, PHM analysis, life-cycle simulation, and design optimization. Through theoretical analysis and case studies, the significance of false alarms in engineering resilience and the effectiveness of the proposed ideas are demonstrated.

공학 시스템은 생애주기에 걸쳐 다양한 불확실성에 노출되며, 이로 인해 목표 성능을 충족시키지 못할 경우 사회적, 경계적, 인적 소실을 야기하게 된다. 이에 대한 해결 방안 중 하나로 리질리언스 주도 설계 기술 (resilience-driven system design

이하 RDSD)이 개발되었다. RDSD는 건전성 예측 및 관리 기술 (prognostics & health management

이하 PHM)을 설계에 도입함으로써 비용 효율적인 고장 예방을 가능케 하였다. 하지만, RDSD는 PHM의 고장 오경보 현상을 고려하지 않는 한계점을 갖는다. 고장 오경보는 건전한 시스템을 고장이라 추정하는 현상으로, 불필요한 시스템 정지 및 검사 비용을 야기하여, PHM과 RDSD의 기술적 효용성을 떨어트리게 된다. 따라서, RDSD의 기술적 약진과 실적용을 도모하기 위해서는 고장 오경보 현상을 해결해야 한다. 본 논문에서는 고장 오경보의 고려를 통해 리질리언스 해석 및 설계 방법론을 개선하고자 하며, 이를 위해 세 가지 연구 주제를 제안한다. 첫 번째 주제는 오경보를 고려한 리질리언스 분석으로, 공학 시스템의 리질리언스 시나리오 분석에 기반해 리질리언스 지수를 새롭게 정식화 한다. 이 지수는 고장 오경보로 인한 리질리언스의 저하를 분석함으로써, 정확한 리질리언스 추정을 가능케 한다. 두 번째 주제는 고장 오경보를 고려한 리질리언스 주도 설계 방법론이다. 이는 3단계의 계층적 요소로 구성된다. 먼저 목표 리질리언스 지수를 만족하면서 생애주기비용을 최소화하기 위해, 목표 신뢰도와 목표 오경보 및 유실경보율을 최적화한다. 이후 신뢰성 기반 최적 설계 (reliability-based design optimization)를 통해 목표 신뢰도를 확보하고, PHM 설계를 통해 할당된 목표 오경보 및 유실경보율을 충족시킨다. 세 번째 주제는 시변(時變) 오경보를 고려한 리질리언스 주도 설계 방법론이다. 기존의 설계 방법론들은 시스템의 건전성 상태를 시불변(時不變)하다 간주하였으나, 실제 시스템은 운행에 따라 점진적으로 건전성이 저하된다. 본 연구에서는 시변성을 분석하기 위해 시변 오경보율 및 유실경보율에 대한 개념을 새롭게 제안하였으며, 생애주기 시뮬레이션을 통한 총 유지보수 비용 분석 방법론을 개발하였다. 이를 통해 생애주기비용을 보다 엄밀하고 정확하게 추정할 수 있게 되었으며, 이를 최소화하는 방향으로 시스템과 PHM의 설계를 최적화였다. 본 연구에서 제안한 방법론들은 이론적 분석과 사례 연구를 통해 그 효용성을 입증하였다.

Most engineered systems are designed with a passive and fixed design capacity and, therefore, may become unreliable in the presence of adverse events. In order to handle this issue, the resilience-driven system design (RDSD) has been proposed to make engineered systems adaptively reliable by incorporating the prognostics and health management (PHM) method. PHM tracks the health degradation of an engineered system, and provides health state information supporting decisions on condition-based maintenance. Meanwhile, one of the issues awaiting solution in the field of PHM, as well as in RDSD, is to address false alarms. A false alarm is an erroneous report on the health state of an engineered system