ZfP im Eisenbahnwesen – Vortrag 4
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Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP „Wie groß ist der Unterschied des
Qualifizierungsergebnisses zur Zuverlässigkeit vor Ort?“
Christina MÜLLER *, Marija BERTOVIC *, Thomas HECKEL *, Ralf HOLSTEIN **, Daniel KANZLER *, Martina ROSENTHAL *
* BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin ** DGZfP Ausbildung und Training GmbH, Berlin
Kurzfassung
In den letzten zwei Jahrzenten entwickelten sich sowohl mathematische Modelle zur Messung der Zuverlässigkeit wie die POD (Probability of Detection) oder ROC (Reciever Operating Characteristics) als auch praktische Qualifizierungsmethoden der ZfP erheblich weiter. Ein Motiv hierfür ist in Lebensdauervorhersagen von Anlagen oder Inspektionsintervallen im Transportwesen zu finden. Eine Art Schmelztiegel und Austauschplattform kam seit 1997 mit der Kette der „European-American Workshops on Reliability of NDE“ ins Spiel. Mit dem dort entstandenen modularen Modell, das die Einflussfaktoren in die innewohnenden Fähigkeit (Physik und Technik), Anwendungsfaktoren in der industriellen Umwelt und die menschlichen Faktoren unterteilte konnte gut zugeordnet werden, dass die innewohnende Fähigkeit in offenen Versuchen aber alle Anwendungs- und menschlichen Faktoren nur in Blindversuchen nachgewiesen werden können. Für die menschlichen Faktoren erweist es sich als vorteilhaft, die Bedingungen nach gegebenen Möglichkeiten optimal zu gestalten, damit der Mensch in der physischen und organisatorischen Umgebung zuverlässig arbeiten kann. Und dennoch kam es weltweit immer wieder zu Ausfällen oder gar Unfällen. Auf dem 5. European-American Workshop fragten wir uns deshalb eingehend: „Was ist das „Delta“ zwischen unseren Zuverlässigkeitsmodellen und Qualifizierungsergebnissen und der tatsächlichen Zuverlässigkeit vor Ort?“ Im Beitrag werden Beispiele zu bisher unbeachteten technischen und menschlichen Einflussfaktoren und eine systemische Sicht auf den organisatorischen Kontext gegeben. Es soll eine Diskussion dahingehend angeregt werden: „Welche dieser Faktoren und Prozesse sind für das Eisenbahnwesen relevant? Welche Lösungen bieten sich an?“
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Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP „Wie groß ist der Unterschied des „Wie groß ist der Unterschied des
Qualifizierungsergebnisses zur Zuverlässigkeit Qualifizierungsergebnisses zur Zuverlässigkeit vor Ort?“vor Ort?“
Christina Müller, BAM, BerlinMarija Bertovic, Thomas Heckel, Daniel Kanzler, Martina Rosenthal, BAM, Berlin
Ralf Holstein, DGZfP Ausbildung und Training, BerlinRalf Holstein, DGZfP Ausbildung und Training, Berlin
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten18. – 20. März 2014, Wittenberge
Wenn trotz 100%-iger Prüfung ein Riss übersehen wird – woran liegt das?
Was können wir zur Verbesserung tun?
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
2
Unterstützung des Lebensdauer-Management(Prüfintervalle) mit quantifizierter Zuverlässigkeit
Fehlerauffindwahrscheinlichkeit POD
Sicher auffindbare Defektgrößea90/95
38. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
+
Bekanntes Rißwachstum
-> Prüfintervalle optimal bestimmen in Balance von Sicherheit und Ökonomie
Zweiter European American Workshop für NDE Reliability, September 1999, Boulder, Colorado, USA:
Das ZfP-System besteht aus der Prüfanweisung, den Geräten und dem Personal, das bei der Prüfung eingesetzt wird.
Die Die ZfPZfP--Zuverlässigkeit ist der Grad mit dem das Zuverlässigkeit ist der Grad mit dem das ZfPZfP--System in der Lage ist, das System in der Lage ist, das PrüfzielPrüfziel bzgl. der bzgl. der
Definitions:Definitions:
4
System in der Lage ist, das System in der Lage ist, das PrüfzielPrüfziel bzgl. der bzgl. der Defektentdeckung, Defektentdeckung, --charakterisierung und der charakterisierung und der Falschanzeigenrate zu erreichen.Falschanzeigenrate zu erreichen.
Wie können wir diesen „Grad“ messen?
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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Innewohnende Fähigkeit
Signal
Organisationaler Kontext
58. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Physik
e.g. Environment
IC
OptimizedDiagnostic
System
AP HF
Human FactorsAnwendungsparameter
e.g. experienced or unexperienced inspectors
Signal
Beispiele und Untersuchung des „Delta“Beispiele und Untersuchung des „Delta“
1. Innewohnende Fähigkeit: Physik und technische Einflüsse
2. Anwendungs-Parameter: Vor-Ort-Umgebung
3. Human Factors: bei der Kalibrierung, Prüf-Aufbau und Auswertung und Entscheidungsfindung sowie bzgl. Des organisatorischen Kontext
4. Organisatorischer Kontext: Geschäfts-, Inforamtions-, ZfPDurchführungs- Prozesse
68. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
4
AnforderungenAnforderungen an den an den ZfPZfP--IngenieurIngenieur
WahrheitWahrheit
ZfpZfp--systemsystem
PrüfprotokollPrüfprotokoll
Section No.
Defect Type
Importance
1 2 3 4 ...
Eb Aa - Ab
3 1 - 1
7
1 akzeptierter Fehler2 unentschieden / zusätzlich Radiographie 3 Nicht akzeptierter Fehler
Beschreibe den realen Zustand des BauteilsBeschreibe den realen Zustand des BauteilsGib eine Gib eine quantitative quantitative Zuverlässigkeitsinformation Zuverlässigkeitsinformation Zu den PrüfergebnissenZu den Prüfergebnissen
Importance 3 1 - 1
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Für ein automatisches System mit einer Schwelle die Vorhersage der POD durch Für ein automatisches System mit einer Schwelle die Vorhersage der POD durch den statistischen Ansatz der den statistischen Ansatz der SignalanwortSignalanwort ((responseresponse signalsignal) POD möglich) POD möglich
a â POD
Fehlergröße Signal Größe Probability of Detection
Experimente oder Modellierung
Berechnung mitlog-Normal-Verteilung
(oder anderen math. Modellen)
Antwort
Status 2002: Status 2002: „â versus a“ Signal„â versus a“ Signal--ResponseResponse--PODPOD
aâ
Typische POD
POD
a
100 %
log a
log â
Linear oder allgemeinerer Zusammenhang
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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ErstesErstes “Delta”: “Delta”: MehrMehr alsals einein ParameterParameter
Anwendung der konv. POD für UT PA Prüfung an dickwandigen Komponenten führt zu hoher Streuung im â
vs. a Diagramm
Mehr Einflussfaktoren wirken auf die Fehlerdetektion alsnur die Größe (z.B. Position, Winkel, nur die Größe (z.B. Position, Winkel, Oberflächenrauhigkeit, Schwächung, Anisotropie)
Multi-Parameter-POD
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
PProbability of robability of DDetectionetection (POD(POD) ) –– ââ vs. vs. aa approachapproach
Wir brauchen multi-Parameter „a“ (Tiefe, Größe, Orientierung, Rauigkeit…)
und Datenfeld „â“ (mehr als ein Maximum) für den realen Einsatz
108. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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A=A(d, z, A=A(d, z, ββ, , …)…)
118. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
POD as function of diameter, depth, anglePOD as function of diameter, depth, angleMato PavlovicMato Pavlovic
128. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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PAUT Prüfgerät für die KupferPAUT Prüfgerät für die Kupfer--Kanister PrüfungKanister Prüfung
128 Kanal Phased Array
Prüfkopf
128 Elemente
Lineares Array,
Pitch: 1 mm,
Breite in passiver
Richtung 16 mm
138. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
POD für unterschiedliche Schwächungslevel als POD für unterschiedliche Schwächungslevel als Funktion des Fehlerdurchmessers in 49 mm Funktion des Fehlerdurchmessers in 49 mm TiefeTiefe
0,7
0,8
0,9
1
α min
14
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 1 2 3 4 5 6 7
PO
D [
%/1
00]
diameter [mm]
α maxα med
α
supermax
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Min, Medium und Max Min, Medium und Max SchwächungskoeffizientenSchwächungskoeffizienten und und zugehörigezugehörigeentdeckbareentdeckbare (d90/95) KRS(d90/95) KRS--DurchmesserDurchmesser
α [dB/m] d90/95 [mm] Mean BWE [%]
Minimum 43 1.66 43.43
Medium 138 2.47 12.17
Maximum 193 3.36 6.33
Die POD und der entdeckbare KRS-Durchmesser nehmen stark abmit wachsender Schwächung. In Übereinstimmung mit T. Stepinskiet. al.
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Super Maximum*
275 5.46
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Zweites Delta: künstl. versus reale Defekte Ringversuche
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Variation Variation derder PrüfergebnissePrüfergebnisse durchdurchmenschlichenmenschlichen EinflussEinflussErgebnisseErgebnisse des des RingversuchsRingversuchs in in derder RadiographischenRadiographischenSchweißnahtprüfungSchweißnahtprüfung
ROC von allen 20 Inspektoren
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Radiographische Filme von 40 Schweißnahtbereichen wurden von 20
17
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
p(FP)
p(T
P) Prüfern evaluiert
grau: die ROC-Kurven der einzelnen Prüfer
Rot: Mittelwertkurve für die Arbeitspunkte und dem maximalen Punkt mit Fehlerbalken
(In cooperation with Ferenc Fücsök, Hungary)
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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Die Entwicklungsphasen der Die Entwicklungsphasen der Sicherheitswissenschaft Sicherheitswissenschaft
(Reason, 1993; Wilpert & Fahlbruch, 1998; Fahlbruch, 2009)
Interorganisationale Phase
Soziotechnische Phase
Human Error
er T
echn
olog
ie
Dysfunktionale
Beziehungen vs.
Organisationen
als Fehlerquelle
Interaktion von
Subsytemen als
Haupt-
fehlerquelle
1995
Phase
Mensch als
Hauptfehler-
quelle
1990
Technische Phase
Technik als
Hauptfehler-
quelleKom
plex
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er
Zeit1950
In Anlehnung an Reason (1993)
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m]
Ausgewähltes Ergebnis: Ausgewähltes Ergebnis: Einfluss des subjektiv Einfluss des subjektiv
empfundenen Zeitdrucks auf die Inspektionsgenauigkeitempfundenen Zeitdrucks auf die Inspektionsgenauigkeit
Subjektiver Zeitdruck
Legende
A ohne Zeitdruck
B mit mittlerem Zeitdruck
C mit hohem Zeitdruck
Hypothese: mit hohem Zeitdruck steigt die Streuung
(Inspektionsgenauigkeit nimmt ab)
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
"„Human Factors beziehen sich auf Faktoren aus der Umwelt, der Organisation und der Arbeit wie auch menschliche oder individuelle Charakteristika, die einen sicherheits- und gesundheitsrelevanten Einfluss auf das Arbeitsverhalten haben“ (Health and Safety Executive, HSE, 1999)
INDIVIDUELLE UNTERSCHIEDE
FähigkeitenPersönlichkeit
ErfahrungEntscheidungsvermögen
ORGANIZATIONAuswahl
MotivationFeedbackTraining
PrüfanweisungNormen
Organisatorische KulturOrganisationsdruck
Menschliche Faktoren bei der ZfP: EinflussfaktorenMenschliche Faktoren bei der ZfP: Einflussfaktoren
UMWELTHitzeLärm
StrahlungZeitdruck
Ablenkung...
GRUPPETeamarbeit
Menschliche Redundanz...
AUFGABESchwierigkeitTechnologieAutomation
Arbeitsbeanspruchung...
EntscheidungsvermögenMotivation
...
OrganisationsdruckVerantwortlichkeiten
...
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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Human Human factorsfactors StudienStudien
Arbeitsbedingungen
• Zeitdruck (insb. Individuell wahrgenommener) hat Einfluss auf die Qualität der UT-Prüfung
• Der organisatorische Kontext bestimmt wie die Prüfung ausgeführt wird und hat somit nachhaltigen Einfluss auf die Qualität
HUMAN REDUNDANCY• Wenn zwei Prüfer die gleiche Aufgabe
ausführen hat dies nicht notwendigerweise eine höhere Zuverlässigkeit zur Folge (Problem des sozialen Faulenzens)• Prüfaufgaben müssen vollständig
unabhängig und mit Gewahrsein des Faktors „Soziales Faulenzen“ ausgeführt werden
Wichtigsten Schlussfolgerungen M. Bertovic
AUTOMATION• Die Einführung der Automatisierung
verringert nicht immer menschliche Fehler, da die Rolle des Menschen von „Tun“ zu „Kontrolle“ wechselt – und damit neue Fehlerquellen entstehen • „Blindes Vertrauen“ in Automatisierung• Prüfer müssen angemessenes Vertrauen
lernen
Prüfanweisung
• Die Basis von Normen und Standards reicht für eine gute Prüfanweisung nicht aus
• Es müssen alle relevanten Informationen enthalten sein und sie muss nutzerfreundlich sein
218. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Human Factor und Human Factor und OrganisationOrganisation
Alle drei Prozesse beeinflussen die Lesitung des Prüfers
Die Informationsmengen erfordern “Informations-Management”
Kommunikation zwischen
Endverbraucher - Dienstleister - Stufe III - Prüfer
sollte sorgfältig gehandhabt werden
228. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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EinbettungEinbettung derder ProzesseProzesse in in derder GesellschaftGesellschaft
Sicherheits-
kultur
TechnischeRegeln
Anforderungder Behörden
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Regeln
Rahmen durchMarkt/Finanz
Sozial/Ethische
Kultur
der Behörden
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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SchlußfolgerungenSchlußfolgerungen und Ausblickund Ausblick
Die Zuverlässigkeit von Prüfprozessen unterliegt sehr komplexen Einflüssen -> systemische Betrachtung
POD ist ein gutes Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfintervallen, wenn man sicher sein kann, dass alle relevanten Einflüsse adäquat berücksichtigt sind
Das modulare Modell hilft einzuordnen
Vor technischer Perfektion steht Verständnis für die Vor technischer Perfektion steht Verständnis für die Einflüsse auf den Menschen und Transparenz des organisatorischen Kontext
Gutes Management für die Geschäfts-, Informations- und Prüfprozesse im gesellschaftlichen Umfeld
Wo können wir unterstützen?
248. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im EisenbahnwesenZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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