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title: 3 - Terminologia della diagnosi
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info: dal video 1 del 23-09 minuto 15:00 fino al video video 2 del 23-09 minuto 04:30
description: Blocco slide 3
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# Terminologia della diagnosi

Le definizioni sono state ideate dall’IFAC SAFEPROCESS Technical Committee, con l’obiettivo di fornire una terminologia comune per la disciplina della diagnosi dei guasti.

## Fault, Failure, Malfunction

### Definizione di “Fault”
>Un **fault** (guasto) è una deviazione non permessa di almeno una proprietà caratteristica (feature) del sistema dalla condizione accettabile/usuale/tipica.

Un guasto danneggia la capacità di ottenere quello che voglio. È uno stato non permesso del sistema che indica una condizione anormale.
Ci sono diversi tipi di guasto, tra cui:
- guasti di progetto: si verificano sempre
- guasti di assemblaggio
- guasti dovuti all'usura, tipici dei componenti elettromeccanici

Un guasto può portare ad una rottura (**"failure"**) oppure ad un malfunzionamento. Può essere repentino (a gradino) oppure una deriva (una rampa).

### Definizione di “Failure”

> **Failure** (fallimento/rottura): un’interruzione permanente della capacità di un sistema di eseguire una funzione richiesta sotto specifiche condizioni operative.

Una failure non è uno stato, quindi non si può tornare indietro. Si può verificare dopo l'avvio delle operazioni o per troppo stress perchè è il risultato di uno o più fault.
È un **evento** che porta la terminazione di una capacità oppure funzionalità.

I diversi tipi di failure possono essere:
- singoli o multipli
- casuali
- deterministici, ovvero predicibile sotto certe condizioni
- sistematici, dipendono da condizioni note

### Definizione di “Malfunction”
>**Malfunction** (malfunzionamento): una irregolarità intermittente nel soddisfacimento di una funzione desiderata del sistema.

È un failure dalla quale si può tornare indietro. È dovuto spesso a eccessivo stress.

## Tipi di segnali nella diagnosi dei fault

>**Errore**: differenza tra il valore misurato o calcolato (di una variabile di uscita) e il valore vero, specificato o teoricamente corretto. Dà l'informazione che qualcosa sta andando male.

>**Disturbo**: un ingresso sconosciuto (e non controllato) che agisce sul sistema.

>**Residuo**: un indicatore della presenza di fault (basato ad esempio sulle differenze tra misure e valori ottenuti da modelli). Tipo particolare di errore.

>**Sintomo**: il cambiamento di una quantità osservabile dal valore nominale.

## Classificazione della Diagnosi
Vogliamo creare un algoritmo che dà informazioni sul guasto. Possiamo avere diversi approcci:
- **Approccio senza modello**:
- basato su conoscenza euristica
- basato su segnali dove analizzo una variabile e misura come cambia in ampiezza e frequenza nel tempo
- basato sui dati: prendo tanti segnali in un DB e faccio classificazione o inferenza
- **Approccio con modello matematico**: è di tipo controllistico con funzione di trasferimento e funzione di stato.


Per fare diagnosi si deve:
- Individuare il guasto (Fault Detection): decidere se c'è qualcosa che va o non va
- Isolamento guasto (Fault Isolation): capire qual è il componente affetto da guasto e definire quando il guasto è comparso
- Identificazione guasto (Fault Identification): capire l'entità del guasto
- Gestione guasto (Fault Diagnosis): faccio tutto il possibile per evitare che si propaghi e possibilmente calibro una manutenzione per far si che venga risolto.

**Quando si parla di diagnosi si intende tutte le precedenti quattro fasi descritte**.

### Tipi di modelli nella fault diagnosis

Ci sono diversi tipi di modelli:
- **Modello quantitativo**: uso di relazioni statiche e/o dinamiche tra le variabili e i parametri del sistema allo scopo di descrivere il comportamento del sistema stesso mediante termini matematici quantitativi. Ci sono formule matematiche e la relazione funzionale. *Basato su modello*

- **Modello qualitativo**: uso di relazioni statiche e/o dinamiche tra le variabili e i parametri del sistema allo scopo di descrivere il comportamento del sistema stesso mediante termini qualitativi, quali relazioni di causalità o regole “if-then”. C'è la conoscenza euristica. *Libero da modello*

- **Modello diagnostico**: un insieme di relazioni statiche e/o dinamiche che collegano specifiche variabili di ingresso (i sintomi) a specifiche variabili di uscita (i fault). Prende in ingresso i sintomi e dà in uscita il tipo di guasto che si sta verificando.

- **Ridondanza analitica**: l’uso di due o più metodi (non necessariamente identici) per determinare una variabile, di cui almeno uno basato su un processo matematico espresso in forma analitica. Sostituisco una variabile misurata con una modellata.

## Affidabilità e sicurezza di un sistema
La diagnosi ha 2 obiettivi principali:
- Produrre di più evitando i fermi macchina (**obiettivo economico**)
- Evitare che un guasto o una rottura producano danni all'ambiente che li circonda (**obiettivo sociale**)

In generale vale la seguente regola: **l'affidabilità** implica **sicurezza**, ma non vale il contrario perchè aumentando la sicurezza aumento la complessità del sistema e di conseguenza la probabilità di avere un guasto. L'obiettivo è rendere il sistema affidabile e sicuro.

### Definizione di “Reliability”
>**Reliability** (affidabilità): capacità di un sistema di realizzare una funzione richiesta sotto specifiche condizioni, rispettando un determinato obiettivo e all’interno di un dato periodo di tempo.

È la capacità di realizzare la funzione richiesta per un dato tempo. Rappresenta quindi la *qualità* per un dato tempo e può essere affetta da malfunction e failure.

Una misura per l'affidabilità può essere il **Mean Time To Failure (MTTF)**, più è alta più è affidabile.

### Definizione di “Safety”

>**Safety** (sicurezza): capacità di un sistema di non causare danni a cose, a persone e/o all’ambiente in prossimità del macchinario.

La safety può essere vista come uno stato dove il rischio non supera un limite di rischio
fissato.
Security e Safety hanno un significato simile ma la prima riguarda privacy e proprietà, mentre la seconda riguarda la vita e l'ambiente ed è connessa agli effetti pericolosi di fault, malfunction e failure.

### Definizione di “Availability”

>Availability (disponibilità): probabilità che un sistema o dispositivo operi in maniera soddisfacente ed efficiente in un qualunque istante di tempo.

È una misura che tiene in conto la failure, la malfunction e i problemi di riparazione, ed è una proprietà molto importante per l'utente.

$A:=\frac{MTTF}{MTTF+MTTR}$

dove MTTF indica il *Mean Time To Failure* e MTTR indica il *Mean Time to Repair*. La somma al denominatore alcune volte può essere sostituita dalla sigla $MTBF$ che indica il **Mean Time Between Failure** che è uguale alla somma di $MTTF$ e $MTTR$ .
Per avere un’alta availability occorre incrementare MTTF (aumentando la toleranza ai guasti) e ridurre MTTR (aumentando la fault diagnosis).
- A = 0 quando il sistema si rompe sempre (MTTF = 0)
- A = 1 quando non si rompe mai (MTTR = 0 vuol dire il tempo di riparazione medio è zero).

## Schema a “V” per lo sviluppo di un sistema di fault diagnosis

Per sviluppare qualcosa (hardware o software) che andrà in produzione si segue sempre uno schema a V.
La parte sinistra della V riguarda la progettazione, mentre quella destra è la parte di System Integration che arriva alla produzione.

Si parte da:
- **Requisiti**
- decidere affidabilità e sicurezza che deve avere il sistema;
- i guasti che devono essere rivelati;
- le unità che possono essere rimpiazzate;
- costi
- dai requisiti si passa alla scelta delle **Specifiche**
- determinare i sensori e attuatori;
- potenza di calcolo a disposizione;
- tipologia di conoscenza a disposizione (modelli e schemi)
- dopo si fa **Modellazione e Simulazione** che sono elaborazioni per capire quello che succede nel sistema
- modello di segnale, processo e guasti
- **Progettazione dei metodi** è il nostro **focus** (del corso) in cui si sceglie l'algoritmo da utilizzare.
- Scelto l'algoritmo bisogna svilupparlo a livello prototipale. Se si vuole sviluppare qualcosa per mandarlo in produzione si utilizza l'approccio **software-in-the-loop** e **hardware-in-the-loop**

- Per capire software/hardware in the loop utilizziamo il seguente esempio:
se voglio sviluppare un software con una legge di controllo prima si scrive l'algoritmo (formula della legge), poi si traduce in un codice specifico. Questo codice specifico deve essere fatto funzionare su una macchina specifica (microcontrollore), successivamente questa macchina viene installata sul macchinario di destinazione. Questi sono i passaggi, non vado a provare il codice subito su un macchinario finale perchè ci possono essere errori, la probilità di fare un danno è alta. Ci sono step intermedi che si chiamano Software-in-the-loop, e Hardware-in-the-loop

- Step Software-in-the-loop:
- 1) determinato l'algoritmo, lo sviluppo con la stessa tipologia di software che dovrò utilizzare all'interno della macchina fisica che mi verrà messa a disposizione.

- 2) lo testo su un simulatore, che replica le funzionalità del mio sistema
- 3) lancio il simulatore e verifico che gli ingressi e le uscite del codice sono compatibili con quelle della realtà.

- Nel momento in cui il software viene caricato sul microcontrollore, connetto quest'ultimo al PC di simulazione e ottengo il passo Hardware-in-the-loop. Con questo ho il componente che andrà in produzione funzionante su una simulazione della macchina reale, si possono notificare alcuni errori prima di mandarlo in esecuzione.

- Se il test va ad un buon fine, si va sulla macchina reale.


## Domande di riepilogo

- Quali sono le differenze tra fault, failure, e malfunction?
- Fault è un deviazione non permessa, failure è un evento che causa l'interruzione permanente della capacità di compiere una funzionalità, e la malfunction è intermittente. Un fault se lasciato può diventare failure.
- Fornire la definizione di reliability, safety e availability.
- Reliability è la capacità di un sistema di funzionare per un certo quantitativo di tempo, safety è la capacità di un sistema di non procurare danni a persone e ambiente in caso di interruzione, mentre availability è un'affidabilità che tiene in considerazione il tempo di rottura e mi dà un indice adimensionale di quanto il sistema possa essere usato per produrre oppure no.
- Quali sono le differenze tra fault detection, isolation e diagnosis?
- la fault detection mi dice se c'è o meno qualcosa che non funziona, l'isolation andiamo a trovare il componente affetto da guasto, mentre diagnosis è l'insieme di rilevamento, isolamento e identificazione del guasto.
- Qual è la differenza tra ridondanza analitica e ridondanza hardware?
- ridondanza analitica è la replica di una misura tramite un modello, quella hardware è raddoppiare il quantitativo hardware.
- Descrivere il tipico schema a “V” di sviluppo di un sistema diagnostico.
- diviso in due parte:
- quello a sinistra la parte di progettazione che va dai requisiti fino a Software-in-the-loop
- quella destra è la parte di integrazione del sistema e va da Hardware-in-the-loop, ovvero la prova dell'hardware di funzionamento, e arriva fino a tutti i test sul prototipo finale.