Atualmente, sabe-se que grande parte dos acidentes graves ocorridos envolvendo uma diversidade de sistemas como plataformas de petróleo, aeronaves ou plantas de processos industriais, poderiam ser evitados caso possuíssem dispositivos de controle projetados especificamente para manter a segurança durante a ocorrência de falhas no funcionamento dos mesmos. Por outro lado, observam-se complicações em realizar o controle de sistemas remotos em que é possível não haver garantia de monitoração em tempo real, como o caso de sondas espaciais ou robôs de exploração. Neste contexto, podem-se encontrar ambas as dificuldades no controle do funcionamento de um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) que desempenha a função de auxiliar o bombeamento de sangue para o sistema circulatório de um paciente com insuficiência cardíaca. Este tipo de dispositivo, quando usado para terapia de destino, deve apresentar um elevado nível de segurança, pois, caso haja falha, o risco de morte é eminente. Por sua vez, o sistema deve apresentar um elevado índice de autonomia, já que as características comportamentais e fisiológicas de um paciente estão em constante mudança e afetam diretamente o modo como deve ocorrer a interação entre o DAV e o sistema cardiovascular do paciente. Sendo assim, há uma necessidade premente de aprimoramento do projeto de sistemas de controle de DAVs autônomos e seguros. A proposta do presente trabalho consiste em aplicar conceitos mecatrônicos para o projeto de um sistema de controle de DAVs e, considerando a natureza dos sinais que indicam a ocorrência de falhas, considerar a teoria de Sistemas a Eventos Discretos (SED), ferramentas de análise de risco e técnicas de diagnóstico e tratamento de falhas para a obtenção de modelos de controle considerando-se uma arquitetura modular e distribuída. Desta forma, foi desenvolvida uma arquitetura de controle supervisório para DAVs considerando características de variações de comportamento do sistema circulatório do paciente e do próprio DAV. Esta arquitetura de controle contempla o diagnóstico e tratamento de falhas desenvolvendo um método para a classificação de falhas e, de acordo com a severidade de cada uma delas é proposto um sistema de controle que atua na regeneração ou degeneração do DAV para um estado seguro, v observando, também, o cumprimento de normas médicas e técnicas de segurança. Para atingir este objetivo, propõe-se uma sistemática para o projeto do sistema de controle para DAVs considerando o aspecto multidisciplinar pertinente a este contexto. A base dessa sistemática consiste em realizar uma efetiva análise de risco do sistema utilizando a ferramenta de estudo HAZOP (Hazard and Operability Studies). A partir do conhecimento obtido sobre o comportamento do sistema em situações críticas desenvolvem-se modelos formais utilizando rede Bayesiana e rede de Petri para o diagnóstico e tratamento das possíveis falhas. O comportamento do DAV controlado pode ser analisado de duas formas: (i) a partir de ensaios in vitro utilizando técnicas de análise por simulação e ferramentas computacionais adequadas, além de testes em simuladores cardiovasculares físicos que emulam interação com o sistema circulatório humano; (ii) a partir de ensaios in vivo em animais que poderão ser utilizados para simular modelos físicos de insuficiência cardíaca e permitir uma avaliação fidedigna dos efeitos do implante do DAV. O procedimento proposto foi aplicado para um caso real de desenvolvimento de um DAV envolvendo uma equipe de pesquisadores da Escola Politécnica da USP e do Instituto Dante Pazanesse de Cardiologia. Assim, é possível obter-se um sistema de controle autônomo e seguro que atenda normas técnicas aderentes a esse assunto e os rigorosos requisitos de projeto impostos a essa classe de sistema. / Nowadays, it is kwon that the several of severe disasters compromising a great variety of systems such as oil platforms, aircrafts or industrial plants, could have been avoided if these systems had controllers designed specifically to maintain the safety levels in case of fault. On the other side, many complications are observed on performing the control of remote systems, where there is no guarantee of real time monitoring of the system, as in space probes or reconnaissance robots. In this context, both obstacles can be found on the control of ventricular assist devices (VAD), which have the role of assisting to pump the blood into the patients circulatory system, in case of irregular heartbeat or heart failure. Devices such as the VAD must possess very high safety levels, as in case of fault, the consequences are severe and might result on the dead of the patient. Nevertheless, these systems must have high degree of autonomy, as the patients physiology and behavior are constantly changing, and these changes impact directly the interactions between the VAD and the patient´s cardiovascular system. Thus, there is a pressing need to improve the design of safe and autonomous control systems for VADs. The present work proposes applying mechatronic concepts to the development of control systems for VADs, considering the nature of the fault indicating signals, as well as the Discrete Event Systems (DES) theory and through the application of tools for risk analysis, and fault diagnostic and treatment techniques aiming the development of control models based on modular and distributed architectures. Thereby, a VAD supervisory control architecture was developed, where the behavior variations of the patient´s circulatory system as well as of the VAD were taken into consideration. This control architecture features the diagnostic and treatment of faults, where methods for faults classification where developed, and according to the severity each fault is proposed a control system that performs the regeneration or degeneration of the VAD to a secure state and is according to medical standards and safety techniques. To achieve this goal is proposed a systematic for the design of the VAD control system considering the multidisciplinary context of the device. The foundation of this systematic is the performance of an effective risk analysis through the use of the toolset known vii as HAZOP (Hazard and Operability Studies). From the knowledge acquired about the system behavior during critical conditions, formal models are developed employing Bayesian Networks and Petri Nets for the diagnostic and treatment of faults. The behavior of the controlled VAD can be analyzed in two possible ways: (i) from in vitro experiments, through the use of simulation analysis tools and proper computational tools, as well as tests on real cardiovascular simulators, where the interactions between the VAD and the human circulatory system can be emulated; (ii) from in vivo experiments, animals can be used to simulate physical models of irregular heartbeat or heart failure and allow reliable valuations of the VAD implant. The proposed procedure was applied on the VAD development, which was performed by a team of researchers from the Escola Politécnica da USP and from the Instituto Dante Pazanesse de Cardiologia. Thus, is possible to achieve an autonomous and safe control system that complies with the applicable technical standards, as well as the strict project requirements for this class of system.

Atualmente, sabe-se que grande parte dos acidentes graves ocorridos envolvendo uma diversidade de sistemas como plataformas de petróleo, aeronaves ou plantas de processos industriais, poderiam ser evitados caso possuíssem dispositivos de controle projetados especificamente para manter a segurança durante a ocorrência de falhas no funcionamento dos mesmos. Por outro lado, observam-se complicações em realizar o controle de sistemas remotos em que é possível não haver garantia de monitoração em tempo real, como o caso de sondas espaciais ou robôs de exploração. Neste contexto, podem-se encontrar ambas as dificuldades no controle do funcionamento de um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) que desempenha a função de auxiliar o bombeamento de sangue para o sistema circulatório de um paciente com insuficiência cardíaca. Este tipo de dispositivo, quando usado para terapia de destino, deve apresentar um elevado nível de segurança, pois, caso haja falha, o risco de morte é eminente. Por sua vez, o sistema deve apresentar um elevado índice de autonomia, já que as características comportamentais e fisiológicas de um paciente estão em constante mudança e afetam diretamente o modo como deve ocorrer a interação entre o DAV e o sistema cardiovascular do paciente. Sendo assim, há uma necessidade premente de aprimoramento do projeto de sistemas de controle de DAVs autônomos e seguros. A proposta do presente trabalho consiste em aplicar conceitos mecatrônicos para o projeto de um sistema de controle de DAVs e, considerando a natureza dos sinais que indicam a ocorrência de falhas, considerar a teoria de Sistemas a Eventos Discretos (SED), ferramentas de análise de risco e técnicas de diagnóstico e tratamento de falhas para a obtenção de modelos de controle considerando-se uma arquitetura modular e distribuída. Desta forma, foi desenvolvida uma arquitetura de controle supervisório para DAVs considerando características de variações de comportamento do sistema circulatório do paciente e do próprio DAV. Esta arquitetura de controle contempla o diagnóstico e tratamento de falhas desenvolvendo um método para a classificação de falhas e, de acordo com a severidade de cada uma delas é proposto um sistema de controle que atua na regeneração ou degeneração do DAV para um estado seguro, v observando, também, o cumprimento de normas médicas e técnicas de segurança. Para atingir este objetivo, propõe-se uma sistemática para o projeto do sistema de controle para DAVs considerando o aspecto multidisciplinar pertinente a este contexto. A base dessa sistemática consiste em realizar uma efetiva análise de risco do sistema utilizando a ferramenta de estudo HAZOP (Hazard and Operability Studies). A partir do conhecimento obtido sobre o comportamento do sistema em situações críticas desenvolvem-se modelos formais utilizando rede Bayesiana e rede de Petri para o diagnóstico e tratamento das possíveis falhas. O comportamento do DAV controlado pode ser analisado de duas formas: (i) a partir de ensaios in vitro utilizando técnicas de análise por simulação e ferramentas computacionais adequadas, além de testes em simuladores cardiovasculares físicos que emulam interação com o sistema circulatório humano; (ii) a partir de ensaios in vivo em animais que poderão ser utilizados para simular modelos físicos de insuficiência cardíaca e permitir uma avaliação fidedigna dos efeitos do implante do DAV. O procedimento proposto foi aplicado para um caso real de desenvolvimento de um DAV envolvendo uma equipe de pesquisadores da Escola Politécnica da USP e do Instituto Dante Pazanesse de Cardiologia. Assim, é possível obter-se um sistema de controle autônomo e seguro que atenda normas técnicas aderentes a esse assunto e os rigorosos requisitos de projeto impostos a essa classe de sistema. / Nowadays, it is kwon that the several of severe disasters compromising a great variety of systems such as oil platforms, aircrafts or industrial plants, could have been avoided if these systems had controllers designed specifically to maintain the safety levels in case of fault. On the other side, many complications are observed on performing the control of remote systems, where there is no guarantee of real time monitoring of the system, as in space probes or reconnaissance robots. In this context, both obstacles can be found on the control of ventricular assist devices (VAD), which have the role of assisting to pump the blood into the patients circulatory system, in case of irregular heartbeat or heart failure. Devices such as the VAD must possess very high safety levels, as in case of fault, the consequences are severe and might result on the dead of the patient. Nevertheless, these systems must have high degree of autonomy, as the patients physiology and behavior are constantly changing, and these changes impact directly the interactions between the VAD and the patient´s cardiovascular system. Thus, there is a pressing need to improve the design of safe and autonomous control systems for VADs. The present work proposes applying mechatronic concepts to the development of control systems for VADs, considering the nature of the fault indicating signals, as well as the Discrete Event Systems (DES) theory and through the application of tools for risk analysis, and fault diagnostic and treatment techniques aiming the development of control models based on modular and distributed architectures. Thereby, a VAD supervisory control architecture was developed, where the behavior variations of the patient´s circulatory system as well as of the VAD were taken into consideration. This control architecture features the diagnostic and treatment of faults, where methods for faults classification where developed, and according to the severity each fault is proposed a control system that performs the regeneration or degeneration of the VAD to a secure state and is according to medical standards and safety techniques. To achieve this goal is proposed a systematic for the design of the VAD control system considering the multidisciplinary context of the device. The foundation of this systematic is the performance of an effective risk analysis through the use of the toolset known vii as HAZOP (Hazard and Operability Studies). From the knowledge acquired about the system behavior during critical conditions, formal models are developed employing Bayesian Networks and Petri Nets for the diagnostic and treatment of faults. The behavior of the controlled VAD can be analyzed in two possible ways: (i) from in vitro experiments, through the use of simulation analysis tools and proper computational tools, as well as tests on real cardiovascular simulators, where the interactions between the VAD and the human circulatory system can be emulated; (ii) from in vivo experiments, animals can be used to simulate physical models of irregular heartbeat or heart failure and allow reliable valuations of the VAD implant. The proposed procedure was applied on the VAD development, which was performed by a team of researchers from the Escola Politécnica da USP and from the Instituto Dante Pazanesse de Cardiologia. Thus, is possible to achieve an autonomous and safe control system that complies with the applicable technical standards, as well as the strict project requirements for this class of system.

Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são projetados para prevenir e/ou mitigar acidentes, evitando indesejáveis cenários com alto potencial de risco, assegurando a proteção da saúde das pessoas, proteção do meio ambiente e economia de custos com equipamentos industriais. Desta forma, é extremamente recomendado neste projeto de SIS o uso de métodos formais para garantir as especificações de segurança em conformidade com as normas regulamentadoras vigentes, principalmente para atingir o nível de integridade de segurança (SIL) desejado. Adicionalmente, algumas das normas de segurança como ANSI / ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, entre outras, recomendam uma série de procedimentos relacionados ao ciclo de vida de segurança de um projeto de SIS. Desta forma, destacam-se as atividades que compreendem o desenvolvimento e a validação dos algoritmos de controle em que se separam semanticamente os aspectos voltados para o diagnóstico de falhas críticas e o tratamento destas falhas associado a um controle de coordenação para filtrar a ocorrência de falhas espúrias. Portanto, a contribuição deste trabalho é propor um método formal para a modelagem e análise de SIS, incluindo o diagnóstico e o tratamento de falhas críticas, baseado em rede Bayesiana (BN) e rede de Petri (PN). Este trabalho considera o diagnóstico e o tratamento para cada função instrumentada de segurança (SIF) a partir do resultado do estudo de análise de riscos, de acordo com a metodologia de HAZOP (Hazard and Operability). / Safety Instrumented Systems (SIS) are design to prevent and/or mitigate accidents, avoiding undesirable high potential risk scenarios, assuring protection of people health, protecting the environment and saving costs of industrial equipment. It is strongly recommended in this design formal method to assure the safety specifications in accordance to standards regulations, mainly for reaching desired safety integrity level (SIL). Additionally, some of the safety standards such as ANSI/ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, among others, guide different activities related to Safety Life Cycle (SLC) design of SIS. In special, there are design activities that involves the development and validation of control algorithm that separate semantically aspects oriented to diagnosis and treatment of critical faults associated with a control coordination to filter spurious failures occurrence. In this context, the contribution of this work is to propose a formal method for modeling and analysis of SIS designed including diagnostic and treatment of critical faults based on Bayesian networks (BN) and Petri nets (PN). This approach considers diagnostic and treatment for each safety instrumented function (SIF) obtained according hazard and operability (HAZOP) methodology.

O cenário competitivo e globalizado em que as empresas estão inseridas, sobretudo a partir do século XXI, associados a ciclos de vida cada vez menores dos produtos, rigorosos requisitos de qualidade, além de políticas de preservação do meio ambiente, com redução de consumo energético e de recursos hídricos, somadas às exigências legais de melhores condições de trabalho, resultaram em uma quebra de paradigma nos processos produtivos até então concebidos. Como solução a este novo cenário produtivo pode-se citar o extenso uso da automação industrial, fato que resultou em sistemas cada vez mais complexos, tanto do ponto de vista estrutural, em função do elevado número de componentes, quanto da complexidade dos sistemas de controle. A previsibilidade de todos os estados possíveis do sistema torna-se praticamente impossível. Dentre os estados possíveis pode-se citar os estados de falha que, dependendo da severidade do efeito associado à sua ocorrência, podem resultar em sérios danos para o homem, o meio ambiente e às próprias instalações, caso não sejam corretamente diagnosticados e tratados. Fatos recentes de catástrofes relacionadas à sistemas produtivos revelam a necessidade de se implementar medidas para prevenir e para mitigar os efeitos da ocorrência de falhas, com o objetivo de se evitar a ocorrência de catástrofes. De acordo com especialistas, os Sistemas Instrumentados de Segurança SIS, referenciados em normas como a IEC 61508 e IEC 61511, são uma solução para este tipo de problema. Trabalhos publicados tratam de métodos para a implementação de camadas SIS de prevenção, porém com escassez de trabalhos para camadas SIS de mitigação. Em função do desconhecimento da dinâmica do sistema em estado de falha, técnicas tradicionais de modelagem tornam-se inviáveis. Neste caso, o uso de inteligência artificial, como por exemplo a lógica fuzzy, pode se tornar uma solução para o desenvolvimento do algoritmo de controle, associadas a ferramentas de edição, modelagem e geração dos códigos de controle. A proposta deste trabalho é apresentar uma sistemática para a implementação de um sistema de controle para a mitigação de falhas críticas em sistemas produtivos, com referência às normas IEC 61508/61511, com ação antecipativa à ocorrência de catástrofes. / The competitive and globalized scenario in which the companies operate, especially from the twenty-first century, associated with shrinking life cycles of products, stringent quality requirements, and environmental preservation policies, reducing energy consumption and water resources, in addition of legal requirements for better working conditions, resulted in a paradigm shift in production processes previously designed. As a solution to this new production scenario may be mentioned the extensive use of industrial automation, which has resulted in ever more complex systems, both from a structural point of view, due to the high number of components, the complexity of control systems. The predictability of all possible states of the system becomes practically impossible. Among the possible states can mention the states of fault, depending on the severity of the effect associated with its occurrence, can result in serious damage to man, the environment and own facilities, if not properly diagnosed and treated. Recent events for disasters related to production systems show the need to implement measures to prevent and mitigate the effects of the occurrence of faults in order to prevent the occurrence of disasters. According to experts, the Safety Instrumented Systems - SIS, referenced in standards such as IEC 61508 and IEC 61511, are a solution to this problem. Published papers deal with methods for the implementation of SIS layers of prevention, but with shortage of jobs for mitigation SIS layers. Depending on the system dynamics of ignorance in a fault state, traditional modeling techniques become unviable. In this case, the use of artificial intelligence, such as fuzzy logic can become a solution to the development of the control algorithm, associated with editing tools, modeling and generation of control codes. The purpose of this paper is to present a systematic for implementing a control system for the mitigation of critical failures in production systems, with reference to IEC 61508/61511 standards, with preemptive action to the occurrence of disasters.

Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são projetados para prevenir e/ou mitigar acidentes, evitando indesejáveis cenários com alto potencial de risco, assegurando a proteção da saúde das pessoas, proteção do meio ambiente e economia de custos com equipamentos industriais. Desta forma, é extremamente recomendado neste projeto de SIS o uso de métodos formais para garantir as especificações de segurança em conformidade com as normas regulamentadoras vigentes, principalmente para atingir o nível de integridade de segurança (SIL) desejado. Adicionalmente, algumas das normas de segurança como ANSI / ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, entre outras, recomendam uma série de procedimentos relacionados ao ciclo de vida de segurança de um projeto de SIS. Desta forma, destacam-se as atividades que compreendem o desenvolvimento e a validação dos algoritmos de controle em que se separam semanticamente os aspectos voltados para o diagnóstico de falhas críticas e o tratamento destas falhas associado a um controle de coordenação para filtrar a ocorrência de falhas espúrias. Portanto, a contribuição deste trabalho é propor um método formal para a modelagem e análise de SIS, incluindo o diagnóstico e o tratamento de falhas críticas, baseado em rede Bayesiana (BN) e rede de Petri (PN). Este trabalho considera o diagnóstico e o tratamento para cada função instrumentada de segurança (SIF) a partir do resultado do estudo de análise de riscos, de acordo com a metodologia de HAZOP (Hazard and Operability). / Safety Instrumented Systems (SIS) are design to prevent and/or mitigate accidents, avoiding undesirable high potential risk scenarios, assuring protection of people health, protecting the environment and saving costs of industrial equipment. It is strongly recommended in this design formal method to assure the safety specifications in accordance to standards regulations, mainly for reaching desired safety integrity level (SIL). Additionally, some of the safety standards such as ANSI/ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, among others, guide different activities related to Safety Life Cycle (SLC) design of SIS. In special, there are design activities that involves the development and validation of control algorithm that separate semantically aspects oriented to diagnosis and treatment of critical faults associated with a control coordination to filter spurious failures occurrence. In this context, the contribution of this work is to propose a formal method for modeling and analysis of SIS designed including diagnostic and treatment of critical faults based on Bayesian networks (BN) and Petri nets (PN). This approach considers diagnostic and treatment for each safety instrumented function (SIF) obtained according hazard and operability (HAZOP) methodology.

O cenário competitivo e globalizado em que as empresas estão inseridas, sobretudo a partir do século XXI, associados a ciclos de vida cada vez menores dos produtos, rigorosos requisitos de qualidade, além de políticas de preservação do meio ambiente, com redução de consumo energético e de recursos hídricos, somadas às exigências legais de melhores condições de trabalho, resultaram em uma quebra de paradigma nos processos produtivos até então concebidos. Como solução a este novo cenário produtivo pode-se citar o extenso uso da automação industrial, fato que resultou em sistemas cada vez mais complexos, tanto do ponto de vista estrutural, em função do elevado número de componentes, quanto da complexidade dos sistemas de controle. A previsibilidade de todos os estados possíveis do sistema torna-se praticamente impossível. Dentre os estados possíveis pode-se citar os estados de falha que, dependendo da severidade do efeito associado à sua ocorrência, podem resultar em sérios danos para o homem, o meio ambiente e às próprias instalações, caso não sejam corretamente diagnosticados e tratados. Fatos recentes de catástrofes relacionadas à sistemas produtivos revelam a necessidade de se implementar medidas para prevenir e para mitigar os efeitos da ocorrência de falhas, com o objetivo de se evitar a ocorrência de catástrofes. De acordo com especialistas, os Sistemas Instrumentados de Segurança SIS, referenciados em normas como a IEC 61508 e IEC 61511, são uma solução para este tipo de problema. Trabalhos publicados tratam de métodos para a implementação de camadas SIS de prevenção, porém com escassez de trabalhos para camadas SIS de mitigação. Em função do desconhecimento da dinâmica do sistema em estado de falha, técnicas tradicionais de modelagem tornam-se inviáveis. Neste caso, o uso de inteligência artificial, como por exemplo a lógica fuzzy, pode se tornar uma solução para o desenvolvimento do algoritmo de controle, associadas a ferramentas de edição, modelagem e geração dos códigos de controle. A proposta deste trabalho é apresentar uma sistemática para a implementação de um sistema de controle para a mitigação de falhas críticas em sistemas produtivos, com referência às normas IEC 61508/61511, com ação antecipativa à ocorrência de catástrofes. / The competitive and globalized scenario in which the companies operate, especially from the twenty-first century, associated with shrinking life cycles of products, stringent quality requirements, and environmental preservation policies, reducing energy consumption and water resources, in addition of legal requirements for better working conditions, resulted in a paradigm shift in production processes previously designed. As a solution to this new production scenario may be mentioned the extensive use of industrial automation, which has resulted in ever more complex systems, both from a structural point of view, due to the high number of components, the complexity of control systems. The predictability of all possible states of the system becomes practically impossible. Among the possible states can mention the states of fault, depending on the severity of the effect associated with its occurrence, can result in serious damage to man, the environment and own facilities, if not properly diagnosed and treated. Recent events for disasters related to production systems show the need to implement measures to prevent and mitigate the effects of the occurrence of faults in order to prevent the occurrence of disasters. According to experts, the Safety Instrumented Systems - SIS, referenced in standards such as IEC 61508 and IEC 61511, are a solution to this problem. Published papers deal with methods for the implementation of SIS layers of prevention, but with shortage of jobs for mitigation SIS layers. Depending on the system dynamics of ignorance in a fault state, traditional modeling techniques become unviable. In this case, the use of artificial intelligence, such as fuzzy logic can become a solution to the development of the control algorithm, associated with editing tools, modeling and generation of control codes. The purpose of this paper is to present a systematic for implementing a control system for the mitigation of critical failures in production systems, with reference to IEC 61508/61511 standards, with preemptive action to the occurrence of disasters.