Fehlerbehebung

Die Fehlersuche ist eine Form der Problemlösung , die häufig zur Behebung von Produkt- oder Prozessfehlern an Maschinen oder Systemen eingesetzt wird. Sie ist eine logische und systematische Suche nach der Fehlerursache, um das Problem zu lösen und das Produkt oder den Prozess wieder betriebsbereit zu machen. Die Fehlersuche ist notwendig, um die Symptome zu identifizieren. Die Ermittlung der wahrscheinlichsten Ursache beinhaltet oft ein Ausschlussverfahren , um potenzielle Probleme systematisch auszuschließen. Schließlich muss bestätigt werden, dass die Lösung das Produkt oder den Prozess wieder in seinen funktionsfähigen Zustand versetzt. Eine Strategie ist ein organisierter Satz von Aktivitäten, der einen plausiblen Weg zur Zielerreichung aufzeigt. Strategien sollten nicht als starre Algorithmen betrachtet werden, die zu Lösungen führen. Problemlöser agieren opportunistisch, passen Aktivitäten innerhalb einer Strategie an und ändern Strategien und Taktiken als Reaktion auf Informationen und Ideen.

Im Allgemeinen bezeichnet Fehlerbehebung die Identifizierung oder Diagnose von Störungen im Managementprozess eines Systems, die durch einen Fehler verursacht werden. Das Problem äußert sich zunächst in Symptomen einer Fehlfunktion, und die Fehlerbehebung ist der Prozess der Ermittlung und Behebung dieser Ursachen.

Ein System lässt sich anhand seines erwarteten, gewünschten oder beabsichtigten Verhaltens beschreiben (bei künstlichen Systemen üblicherweise anhand seines Zwecks). Ereignisse oder Eingaben in das System sollen bestimmte Ergebnisse oder Ausgaben erzeugen. (Beispielsweise soll die Auswahl der Druckoption in verschiedenen Computeranwendungen dazu führen, dass ein Ausdruck von einem bestimmten Gerät ausgegeben wird.) Jedes unerwartete oder unerwünschte Verhalten ist ein Symptom. Die Fehlersuche dient dazu, die spezifische(n) Ursache(n) des Symptoms zu ermitteln. Häufig besteht das Symptom darin, dass das Produkt oder der Prozess keine Ergebnisse liefert (beispielsweise wurde nichts gedruckt). Anschließend können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um weitere Fehler dieser Art zu verhindern.

Die Methoden der forensischen Technik sind hilfreich, um Probleme in Produkten oder Prozessen aufzuspüren. Eine breite Palette analytischer Verfahren steht zur Verfügung, um die Ursache(n) spezifischer Fehler zu ermitteln . Anschließend können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um weitere Fehler ähnlicher Art zu verhindern. Präventive Maßnahmen sind mithilfe von Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) und Fehlerbaumanalyse (FTA) vor der Serienproduktion möglich; diese Methoden können auch zur Fehleranalyse eingesetzt werden .

Für eine erfolgreiche Fehlerdiagnose sind zwei wesentliche Elemente erforderlich: Domänenwissen und Suchstrategien. ^{[ 1 ]} Diese bedingen einander, und hier lassen sich grundlegend zwei Problemtypen mit jeweils passenden Diagnoseansätzen unterscheiden. Rasmussen ^{[ 2 ]} schlug eine Strategie vor, die sich an den Merkmalen der korrekten Gerätefunktion orientiert (topografische Strategie), und eine, die sich an den Merkmalen der Fehlfunktion orientiert (symptomatische Strategie). Die zweite Strategie fragt im Kern: „Was ist das Problem?“, die erste: „Was passiert gerade?“

Eine Strategie ist ein organisiertes Set von Aktivitäten, das einen plausiblen Weg zur Zielerreichung aufzeigt. Strategien sollten nicht als starre Algorithmen betrachtet werden, die zu Lösungen führen. Problemlöser agieren opportunistisch, indem sie Aktivitäten innerhalb einer Strategie anpassen und Strategien und Taktiken als Reaktion auf Informationen und Ideen ändern. ^{[ 3 ]}

Eine symptomatische Strategie (auch bekannt als fallbasiertes oder oberflächliches Denken) erfordert a priori vorhandenes Domänenwissen, das aus früheren Erfahrungen gewonnen wird und Verbindungen zwischen Symptomen und Ursachen herstellt. Dieses Wissen wird als oberflächliches, kompiliertes, evidenzbasiertes, historienbasiertes und fallbasiertes Wissen bezeichnet. Diese Strategie wird am häufigsten mit der Diagnose durch Experten in Verbindung gebracht. Die Diagnose eines Problems erfolgt als schneller Erkennungsprozess, in dem Symptome entsprechende Situationskategorien hervorrufen. ^{[ 4 ]} Ein Experte kennt die Ursache, weil er bereits ähnliche Fälle bearbeitet hat. Fallbasiertes Denken ist die leistungsstärkste und am häufigsten angewandte Strategie. Sie funktioniert jedoch nicht allein bei wirklich neuen Problemen oder wenn ein tieferes Verständnis des Geschehens angestrebt wird. Eine topografische Strategie fällt in die Kategorie des tiefen Denkens. Beim tiefen Denken wird umfassendes Wissen über ein System genutzt. Topografie bedeutet in diesem Kontext die Beschreibung oder Analyse einer strukturierten Einheit, die die Beziehungen zwischen ihren Elementen aufzeigt. ^{[ 5 ]} Auch bekannt als Schlussfolgerung aus ersten Prinzipien, ^{[ 6 ]} wird Deep Reasoning auf neuartige Fehler angewendet, wenn erfahrungsbasierte Ansätze nicht zielführend sind. Die topografische Strategie ist daher mit a priori Domänenwissen verknüpft, das aus einem fundamentaleren Verständnis eines Systems entwickelt wird, gegebenenfalls unter Verwendung von Wissen aus ersten Prinzipien. Dieses Wissen wird als tiefes, kausales oder modellbasiertes Wissen bezeichnet. ^{[ 7 ]}

Hoc ^{[ 8 ]} merkte an, dass symptomatische Ansätze gegebenenfalls durch topografische Ansätze ergänzt werden müssen, da Symptome unterschiedlich definiert werden können. Umgekehrt gilt dies ebenfalls: Oberflächliches Denken kann abduktiv zur Generierung kausaler Hypothesen und deduktiv zur Überprüfung dieser Hypothesen im Rahmen einer topografischen Suche eingesetzt werden.

Die Fehlersuche wird üblicherweise bei Geräten durchgeführt, die plötzlich nicht mehr funktionieren, da der vorherige Funktionszustand die Erwartungen an ihr zukünftiges Verhalten prägt. Daher konzentriert man sich zunächst oft auf kürzlich vorgenommene Änderungen am System oder an der Umgebung (z. B. ein Drucker, der „dort noch funktionierte, als er angeschlossen wurde“). Es gilt jedoch der bekannte Grundsatz, dass Korrelation nicht gleich Kausalität ist. (Beispielsweise bedeutet der Ausfall eines Geräts kurz nach dem Anschluss an eine andere Steckdose nicht zwangsläufig einen Zusammenhang. Der Ausfall könnte reiner Zufall sein . ) Daher erfordert die Fehlersuche kritisches Denken statt Wunschdenken .

Es ist hilfreich, sich die alltäglichen Erfahrungen mit Glühbirnen vor Augen zu führen. Glühbirnen brennen mehr oder weniger zufällig durch; schließlich führt das wiederholte Erhitzen und Abkühlen des Glühfadens sowie Schwankungen in der Stromversorgung dazu, dass der Glühfaden reißt oder verdampft. Dasselbe Prinzip gilt für die meisten anderen elektronischen Geräte, und ähnliche Prinzipien finden sich auch bei mechanischen Geräten. Manche Ausfälle sind Teil des normalen Verschleißes von Bauteilen in einem System.

Das erste Grundprinzip der Fehlersuche ist, das Problem jederzeit reproduzieren zu können. Das zweite Grundprinzip ist, das System auf seine einfachste Form zu reduzieren, in der das Problem noch erkennbar ist. Das dritte Grundprinzip ist, zu wissen, wonach man sucht. Anders ausgedrückt: die Funktionsweise des Systems vollständig zu verstehen, um den Fehler sofort zu erkennen.

Ein Fehlersucher könnte jede Komponente eines Systems einzeln überprüfen und jede potenziell verdächtige Komponente durch eine bekannte, funktionierende ersetzen. Dieses Vorgehen des „seriellen Austauschs“ kann jedoch als fehlerhaft angesehen werden, wenn Komponenten ausgetauscht werden, ohne eine Hypothese darüber zu berücksichtigen, wie deren Ausfall zu den diagnostizierten Symptomen führen könnte.

Einfache und mittlere Systeme zeichnen sich durch Abhängigkeitslisten oder -bäume zwischen ihren Komponenten oder Teilsystemen aus. Komplexere Systeme enthalten zyklische Abhängigkeiten oder Wechselwirkungen ( Rückkopplungsschleifen ). Solche Systeme eignen sich weniger für die Fehlersuche mittels Bisektionsverfahren.

Systeme können durch Methoden wie einen Neustart des Computers in einen bekannten Funktionszustand zurückversetzt werden . Zu den Techniken gehört beispielsweise ein kognitiver Walkthrough . Umfassende, von technischen Redakteuren erstellte Dokumentationen liefern eine Funktionsweise für ein Gerät oder System.

Eine häufige Fehlerursache ist mangelhaftes Design , beispielsweise im Hinblick auf die Ergonomie . So kann ein Gerät aufgrund fehlender geeigneter Führungselemente ( Verhaltenssteuerung ) oder mangelnder Fehlertoleranz falsch herum oder verkehrt herum eingesetzt werden. Besonders problematisch ist dies, wenn Gewöhnung einhergeht und der Benutzer die falsche Verwendung nicht mehr bemerkt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn zwei Teile unterschiedliche Funktionen haben, aber in einem gemeinsamen Gehäuse aufbewahrt werden, sodass bei flüchtiger Betrachtung nicht erkennbar ist, welches Teil verwendet wird.

Die Fehlersuche kann auch in Form einer systematischen Checkliste , eines Ablaufdiagramms oder einer Tabelle erfolgen, die vor dem Auftreten eines Problems erstellt wird. Die Entwicklung von Vorgehensweisen zur Fehlersuche im Voraus ermöglicht es, die einzelnen Schritte der Fehlersuche gründlich zu planen und den Prozess so effizient wie möglich zu gestalten. Fehlersuchtabellen können digitalisiert werden, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen.

Einige computergestützte Fehlerbehebungsdienste (wie z. B. Primary, später Manesar) zeigen sofort die zehn vielversprechendsten Lösungsansätze an. Der Techniker kann entweder weitere Fragen beantworten, um im Fehlerbehebungsprozess fortzufahren und die Lösungsliste schrittweise einzugrenzen, oder er kann die Lösung, die seiner Meinung nach das Problem behebt, direkt umsetzen. Diese Dienste gewähren eine Prämie, wenn der Techniker nach der Problembehebung die erfolgreiche Lösung meldet. Der Computer nutzt diese Meldungen, um seine Einschätzungen der Lösungsansätze mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für die Behebung der jeweiligen Symptome zu aktualisieren. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Effiziente, systematische Fehlersuche beginnt mit einem klaren Verständnis des erwarteten Systemverhaltens und der beobachteten Symptome. Darauf aufbauend formuliert der Fehlersucher Hypothesen zu potenziellen Ursachen und entwickelt (oder verwendet gegebenenfalls eine standardisierte Checkliste) Tests, um diese möglichen Ursachen auszuschließen. Dieser Ansatz wird oft als „ Teile und herrsche “ bezeichnet.

Zwei gängige Strategien der Fehlerbehebung bestehen darin, zunächst häufig auftretende oder leicht testbare Bedingungen zu überprüfen (z. B. sicherzustellen, dass die Kontrollleuchte des Druckers leuchtet und das Kabel an beiden Enden fest sitzt). Dies wird oft als „Überprüfung des Bedienfelds“ bezeichnet. ^{[ 11 ]}

Anschließend wird das System „halbiert“ (zum Beispiel bei einem Netzwerkdrucksystem, indem geprüft wird, ob der Druckauftrag den Server erreicht hat, um festzustellen, ob ein Problem in den Subsystemen „auf der Seite des Benutzers“ oder „auf der Seite des Geräts“ vorliegt).

Diese letztgenannte Technik kann besonders effizient in Systemen mit langen Ketten serialisierter Abhängigkeiten oder Interaktionen zwischen ihren Komponenten sein. Es handelt sich dabei schlicht um die Anwendung einer binären Suche über den gesamten Bereich der Abhängigkeiten und wird oft als „Halbierungsmethode“ bezeichnet. ^{[ 12 ]} Sie ähnelt dem Spiel „ 20 Fragen “: Jeder kann eine Option aus einer Million Möglichkeiten isolieren, indem er die Menge der Alternativen 20-mal halbiert (da 2^10 = 1024 und 2^20 = 1.048.576).

Bei der Fehlersuche lassen sich reproduzierbare Probleme isolieren und beheben. Reproduzierbarkeit bedeutet, die Vorgehensweisen zu identifizieren, die die gemeldeten Symptome hervorrufen.

Die schwierigsten Fehlersucheprobleme betreffen Symptome, die nur sporadisch auftreten . In der Elektronik liegt dies häufig an temperaturempfindlichen Bauteilen (da der Widerstand eines Stromkreises mit der Temperatur der Leiter variiert). Druckluft kann verwendet werden, um bestimmte Stellen auf einer Leiterplatte zu kühlen, und ein Heißluftgebläse kann die Temperatur erhöhen. Daher erfordert die Fehlersuche in Elektroniksystemen häufig den Einsatz dieser Hilfsmittel, um ein Problem zu reproduzieren.

In der Computerprogrammierung führen Race Conditions oft zu intermittierenden Symptomen, die extrem schwer zu reproduzieren sind; verschiedene Techniken können eingesetzt werden, um die jeweilige Funktion oder das jeweilige Modul schneller aufzurufen, als es im Normalbetrieb der Fall wäre (analog zum "Erhitzen" einer Komponente in einem Hardware-Schaltkreis), während andere Techniken eingesetzt werden können, um größere Verzögerungen einzuführen oder die Synchronisierung zwischen anderen Modulen oder interagierenden Prozessen zu erzwingen.

Intermittierende Probleme lassen sich wie folgt definieren:

Ein intermittierendes Problem ist ein Problem, für das es kein bekanntes Verfahren gibt, um das Symptom zuverlässig zu reproduzieren.

Insbesondere betont er, dass zwischen der Häufigkeit des Auftretens und einem „bekannten Verfahren zur reproduzierbaren Reproduktion“ eines Problems zu unterscheiden ist. Beispielsweise stellt das Wissen, dass ein intermittierendes Problem innerhalb einer Stunde nach einem bestimmten Reiz oder Ereignis auftritt, aber manchmal schon nach fünf Minuten und manchmal erst nach fast einer Stunde, kein „bekanntes Verfahren“ dar, selbst wenn der Reiz die Häufigkeit des beobachtbaren Auftretens des Symptoms erhöht.

Dennoch müssen Problemlöser manchmal auf statistische Methoden zurückgreifen und finden oft nur Verfahren, um das Auftreten des Symptoms so weit zu erhöhen, dass eine serielle Substitution oder eine andere Technik durchführbar wird. Selbst wenn das Symptom dann über deutlich längere Zeiträume verschwindet, besteht in solchen Fällen wenig Gewissheit, dass die eigentliche Ursache gefunden und das Problem tatsächlich gelöst wurde.

Darüber hinaus können Tests durchgeführt werden, um bestimmte Komponenten zu belasten und festzustellen, ob diese Komponenten ausgefallen sind. ^{[ 14 ]}

Das Isolieren von Einzelkomponentenfehlern, die reproduzierbare Symptome verursachen, ist relativ unkompliziert.

Viele Probleme treten jedoch erst durch das Auftreten mehrerer Fehler oder Ausfälle auf. Dies gilt insbesondere für fehlertolerante Systeme oder solche mit integrierter Redundanz. Auch Funktionen, die Redundanz, Fehlererkennung und Failover in einem System implementieren, können ausfallen, und genügend unterschiedliche Komponentenausfälle führen in einem System zum Totalausfall.

Selbst in einfachen Systemen muss der Fehlersucher stets die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass mehrere Fehler vorliegen. (Das schrittweise Ersetzen jeder Komponente, die serielle Substitution und das anschließende Zurücktauschen der neuen Komponente gegen die alte, wenn das Problem weiterhin besteht, kann solche Fälle nicht lösen. Noch wichtiger ist, dass der Austausch einer Komponente gegen eine defekte die Anzahl der Probleme sogar erhöhen kann, anstatt sie zu beseitigen.)

Beachten Sie, dass die Behebung vieler Probleme, obwohl wir von „Komponentenaustausch“ sprechen, eher Justierungen oder Feinabstimmungen als einen tatsächlichen Austausch erfordert. Beispielsweise müssen zeitweise Unterbrechungen in Leitern oder „verschmutzte oder lockere Kontakte“ möglicherweise nur gereinigt und/oder festgezogen werden. Jede Rede von „Austausch“ ist als „Austausch, Justierung oder sonstige Modifikation“ zu verstehen.

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