系統(tǒng)可靠性理論與工程實踐.ppt

1、系統(tǒng)可靠性理論與工程實踐,2002年8月11日,天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632,內(nèi)容安排,1 系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)理論 理論體系探討 2工程實踐 Intersil公司 、Ford公司 3 可靠性工程幾個熱點問題 發(fā)展趨勢展望,可靠性,一個滿意的顧客會告訴8個人， 一個不滿意的顧客會告訴20個人， 只有可靠的產(chǎn)品才能帶來長期效益和忠誠的顧客！,1系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)理論,系統(tǒng)可靠性基本術(shù)語 （1）系統(tǒng)（System） 一個系統(tǒng)是由一組零件（元件）、部件、子系統(tǒng)或裝配件（統(tǒng)稱為單元）構(gòu)成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一種特定設(shè)計。,天馬行空官

2、方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632,系統(tǒng)實例,對系統(tǒng)可靠性的認(rèn)識誤區(qū),1.在特定的時間內(nèi)，已知系統(tǒng)所有單元的可靠度為90%,則系統(tǒng)可靠度為90%。 2. Mechanical engineers know everything. 3. Reliability is a project. 4. The craftsman is only involved in repair, not in reliability. 5. The key to high reliability is speedy repair.,可靠性方塊圖(RBDsReliability Blo

3、ck Diagrams),可靠性方塊圖是系統(tǒng)單元及其可靠性意義下連接關(guān)系的圖形表達(dá), 表示單元的正?；蚴顟B(tài)對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。在一些情況下，它不同于結(jié)構(gòu)連接圖。,計算機(jī)的簡化可靠性方塊圖,天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632,可靠性方塊,一個方塊可以代表零件（元件）、部件、子系統(tǒng)或裝配件，取決于它選擇的“黑箱”水平（具體層次）。 系統(tǒng)可靠性評估的第一步是獲取數(shù)據(jù)（壽命或成功次數(shù)等），估計單元的可靠性水平。,單元可靠性估計的流程,1.2 系統(tǒng)可靠性模型,(1) 串聯(lián)系統(tǒng) (2) 并聯(lián)系統(tǒng) (3) k/n表決系統(tǒng) (4) 串并聯(lián)混合系統(tǒng) (5)儲備系統(tǒng) (

4、6)復(fù)雜系統(tǒng),可靠性串聯(lián)系統(tǒng),系統(tǒng)可靠度為 可靠性串聯(lián)系統(tǒng)中，可靠性最差的單元對系統(tǒng)的可靠性影響最大。,可靠性串聯(lián)系統(tǒng),可靠性并聯(lián)系統(tǒng),系統(tǒng)可靠度為,圖7 可靠性并聯(lián)系統(tǒng),冗余最大 例：雙工系統(tǒng),可靠性并聯(lián)系統(tǒng),k/n表決系統(tǒng),特例：1/n串聯(lián)系統(tǒng) n/n并聯(lián)系統(tǒng) 系統(tǒng)可靠度：,k/n表決系統(tǒng),復(fù)雜系統(tǒng),分析方法： 1. 分解分析方法：選擇關(guān)鍵單元，先分解系統(tǒng)，再組合計算。 2. the Event Space Method. 3. the Path-Tracing Method.,圖9 可靠性復(fù)雜系統(tǒng)模型示例,1.3 單元重要度,分析單元重要度，可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。 單元i的概率結(jié)構(gòu)重要

5、度： 關(guān)鍵重要度 FV重要度 BP重要度,1.4 系統(tǒng)可靠性分析,(1) 系統(tǒng)可靠度估計 引入單元可靠度函數(shù)，運(yùn)用上述模型即可計算系統(tǒng)可靠度。 (2) 壽命預(yù)測 根據(jù)系統(tǒng)可靠度，可以計算系統(tǒng)的平均壽命、保證壽命、BX（如：B10）、可靠壽命等。此外，可以計算系統(tǒng)的壽命分布規(guī)律、失效率。,1.4 系統(tǒng)可靠性分析,(3) 模擬分析 模擬分析可以克服解析法的缺點，完成復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析。其原理：基于the Monte Carlo simulation method, 根據(jù)每個單元的失效分布產(chǎn)生隨機(jī)失效時間，模擬系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后對系統(tǒng)可靠度作經(jīng)驗估計。,1.5 可靠性設(shè)計,在產(chǎn)品開發(fā)階段要盡早考

6、慮和構(gòu)造可靠性。 將可靠性和性能一樣設(shè)計到產(chǎn)品中去。,1.5 可靠性設(shè)計,(1) 問題識別：獲取改進(jìn)可靠性的機(jī)會。工具：維修數(shù)據(jù)分析、用戶意見分析、可靠性試驗、可靠性分析等。 (2) 失效分析。認(rèn)識失效機(jī)理和發(fā)現(xiàn)改進(jìn)措施。工具：FMECA，F(xiàn)TA等。 (3) 壽命周期費(fèi)用和保修費(fèi)用分析。 (4) 比較研究（Trade-off studies），可靠性優(yōu)化，費(fèi)用效益分析。 (5) 可靠性目標(biāo)確定。工具：QFD等。 (6) 可靠性優(yōu)化分配。,1.6 可靠性分配和可靠性優(yōu)化,有兩個方法改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性：故障避免和故障容錯。 避免故障，要求使用高質(zhì)量和高可靠性的元件，通常比故障容錯方法的成本低些。而故

7、障容錯，需要冗余，導(dǎo)致設(shè)計難度加大，成本、重量、體積等增加。,典型的可靠性增長曲線,1.6 可靠性分配和可靠性優(yōu)化,優(yōu)化前需要明確規(guī)定： a) 成本函數(shù)Cost/Penalty Function b) 可靠度上限 Maximum Achievable Reliability,1.6 可靠性分配和可靠性優(yōu)化,改進(jìn)難度和可靠度上限的影響,1.6 可靠性分配和可靠性優(yōu)化,建立系統(tǒng)可靠性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：,1.6 可靠性分配和可靠性優(yōu)化,例：由三個單元組成的可靠性串聯(lián)系統(tǒng)，在100小時內(nèi)的目標(biāo)可靠度為0.90，考慮五種情況： Case 1三個單元都服從=1.318、=312hrs的威布爾分布，改進(jìn)可行性

8、中等。 Case 2同Case 1，但改進(jìn)可行性不同：單元1易，單元2中，單元3難。 Case 3在100小時內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性相同：易。 Case 4在100小時內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性分別為：易、中、難。 Case 5在100小時內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性分別為：難、易、中。 假設(shè)在100小時內(nèi)，MAR均為0.999，則優(yōu)化結(jié)果如右表1所示。,1.7 可修復(fù)系統(tǒng),對于可修復(fù)系統(tǒng)，須同時考慮可靠性和維修性。類似于基于壽命數(shù)據(jù)的可靠性建模方法，可以處理修復(fù)數(shù)據(jù)獲得維

9、修性特征量，如：維修度、修復(fù)率、平均修復(fù)時間等。可用性綜合考慮可靠性和維修性。,維修方式：事后維修和預(yù)防維修,事后維修的三個典型步驟： a)問題診斷； b)故障零件的更換或修理； c)維修確認(rèn)。,預(yù)防維修活動包括設(shè)備檢查，局部或全面定期檢修，換油等。 預(yù)防維修可以提高系統(tǒng)的可靠性、減少停機(jī)時間和更換費(fèi)用、優(yōu)化備用件庫存。,預(yù)防維修 ：計劃維修和視情維修,計劃維修針對產(chǎn)品老化情況。 基礎(chǔ)工作：維修歷史記錄分析、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、備用件庫存優(yōu)化、維修最佳間隔期的確定、設(shè)備維修模擬等。,視情維修 基礎(chǔ)：設(shè)備性能退化、測試技術(shù)和診斷技術(shù)。,圖14 預(yù)防維修與事后維修的費(fèi)用比較,停機(jī)時間（維修時間）,

10、停機(jī)時間分為等待時間和修理時間。等待時間主要與后勤工作、管理工作有關(guān)。而修復(fù)時間主要取決于維修人員和產(chǎn)品的可維修性設(shè)計?；谕C(jī)時間，可以建立維修度函數(shù)，統(tǒng)計維修性特征量。,更新理論,圖13 系統(tǒng)停機(jī)時間為元件停機(jī)時間的函數(shù) （三個元件組成的可靠性串聯(lián)系統(tǒng)）,可修復(fù)系統(tǒng),可用度分為瞬時可用度、穩(wěn)態(tài)可用度、平均可用度、使用可用度等。 維修費(fèi)用分析：識別主要費(fèi)用要素。 失效數(shù)據(jù)分析：對同類的產(chǎn)品或單個產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計分析，了解MTBF、主要失效模式等。,1.8 可靠性管理,可靠性管理是可靠性工程組成部分，占有很重要地位，有人曾講；“產(chǎn)品可靠性是設(shè)計出來的、制造出來的和管理出來的”。 可靠性管理工作包括

11、：可靠性設(shè)計、試驗和管理標(biāo)準(zhǔn)，可靠性大綱，可靠性管理機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)網(wǎng)等。從產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分配、預(yù)計、可靠性設(shè)計、可靠性分析、可靠性試驗、數(shù)據(jù)交換等進(jìn)行系統(tǒng)化管理。 90年代美國由于以經(jīng)費(fèi)為獨立變量，廢除大量的軍用標(biāo)準(zhǔn)，大力推行健壯設(shè)計和并行工程及IPPD管理。首先在美國海軍及其相關(guān)工業(yè)部門廣泛推廣“網(wǎng)絡(luò)化”管理。通過大量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范引入和支持，為“網(wǎng)絡(luò)化”管理提供依據(jù)和指導(dǎo)，實施程序化、規(guī)范化、系統(tǒng)化的“網(wǎng)絡(luò)化”管理。,1.9 其他相關(guān)理論,(1)供應(yīng)鏈分析：企業(yè)之間的協(xié)作減少提供產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)鏈時間，減少庫存。需求不確定性增大，需要供應(yīng)鏈越敏捷。 (2)人機(jī)工程：考慮人機(jī)系統(tǒng)，注意人的能力和局限

12、。包括：可維修設(shè)計（拆卸、裝配程序評估），軟硬件設(shè)計（人機(jī)界面、通訊、顯示與控制技術(shù)），可操作性試驗（錄像分析，方案比較），人操作可靠性分析等。,1.9 其他相關(guān)理論,(3)制造統(tǒng)計技術(shù)：主要包括：統(tǒng)計過程和質(zhì)量控制（如：SPC，抽樣，過程能力分析，改進(jìn)計劃，變差減少），實驗設(shè)計（DOE），統(tǒng)計建模（如：SPC，回歸分析，方差分析，時序分析，多元分析，非參數(shù)分析）等。 (4)工業(yè)工程：工業(yè)工程涉及技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、改進(jìn)、評估和控制。目標(biāo)是，在盡可能降低成本的同時優(yōu)化系統(tǒng)的資源來提升質(zhì)量、效率、生產(chǎn)率。工具：數(shù)學(xué)模型（對復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用隨機(jī)模型）、實驗設(shè)計、連續(xù)過程改進(jìn)、生產(chǎn)性研究、計算機(jī)模擬、

13、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（處理非線性現(xiàn)象，減少數(shù)據(jù)處理時間）、專家系統(tǒng)等。,2工程實踐,2.1Intersil公司的Building-In Reliability Intersil（網(wǎng)線）公司為晶片制造商，在無線網(wǎng)絡(luò)、電源管理領(lǐng)域國際領(lǐng)先。,2.2Ford公司的Useful Life Reliability Process Ford（汽車）公司將Useful Life Reliability Process 任務(wù)作為產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的重要工作。,3 可靠性工程的幾個熱點問題,可靠性工程的熱點問題一,無維修使用期(MFOP) 在國際上早在1995年對傳統(tǒng)的可靠性定義提出了質(zhì)疑，在歐洲開始用無維修使用期(MFOP)取

14、代原先的MTBF，摒棄隨機(jī)失效無法避免的舊觀念，故障率浴盆曲線分布規(guī)律也就被打破。當(dāng)前國際上興起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流，目的是設(shè)計出不存在隨機(jī)失效的產(chǎn)品。同時，從故障修理轉(zhuǎn)換到計劃預(yù)防維修。,無維修使用期(MFOP),要做到“無維修使用期”必須作好如下兩項工作： 一是改變可靠性設(shè)計思路：以自下而上的可靠性設(shè)計方法，取代采用MTBF進(jìn)行自上而下分配方法。重點可采取如下設(shè)計措施：采用狀態(tài)監(jiān)控，故障診斷和故障預(yù)測設(shè)計；容錯設(shè)計；可重構(gòu)性設(shè)計；動態(tài)設(shè)計；故障軟化設(shè)計；環(huán)境防護(hù)設(shè)計；冗余設(shè)計；在任務(wù)能力不受影響下，留出可接受的降級水平設(shè)計等。,無維修使用期(MFOP),二是改變可靠性工程工

15、作方法：必須把人力、精力集中于產(chǎn)品研發(fā)早期階段。應(yīng)做如下工作： 失效物理分析、研究與應(yīng)用； 開展可靠性研制試驗，及早暴露設(shè)計缺陷，采取有效糾正措施； 開展高加速應(yīng)力試驗(HAST)，暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)予以糾正； 嚴(yán)格設(shè)計評審制度，消除設(shè)計隱患； 制訂合理預(yù)防維修計劃并予以實施。,可靠性工程的熱點問題二,可靠性指標(biāo)體系及其驗證 在產(chǎn)品可靠性驗證與評價中，在確認(rèn)故障，采用什么方法對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接關(guān)系到產(chǎn)品的生存和發(fā)展。一般都把可靠性驗證試驗中產(chǎn)品的存在狀態(tài)簡化為“二元狀態(tài)（成功、故障）”處理。故障統(tǒng)計也比較簡單，要么為0，要么為1，對故障既不分類，也不加權(quán)，這在工程實施顯然存在問題。如果把這

16、些后果嚴(yán)重程度不同的故障，等同看待，客觀上是不合理的，與實際情況也是不相符的。,可靠性指標(biāo)體系及其驗證,早在70年代美國在地面產(chǎn)品廣泛地采用故障加權(quán)。 在1980年美軍標(biāo)準(zhǔn)MILSTD785B頒布后，故障加權(quán)處理方法被取締。 產(chǎn)品可靠性指標(biāo)細(xì)化分解，分別驗證。MILSTD7810工程研制鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗正式文本中，首次提出在可靠性驗證中按后果嚴(yán)重程度把發(fā)生故障區(qū)分為：致命故障，嚴(yán)重故障和輕度故障三類。 我們國家有標(biāo)準(zhǔn)可查的就有近20種門類產(chǎn)品對故障進(jìn)行加權(quán)處理。 目前對故障加權(quán)有爭議。,可靠性工程的熱點問題三,加強(qiáng)軟件可靠性設(shè)計 隨著社會日益信息化，系統(tǒng)(或設(shè)備)軟件功能較硬件功能占系統(tǒng)功

17、能比例越來越高。 時至今日軟件可靠性工程的有關(guān)技術(shù)還不夠成熟，還有許多問題有待研究。,軟件可靠性設(shè)計,在開展可靠性工程工作時，對軟件可靠性提及甚少，原因有二：一是開展軟件可靠性工作較晚。二是軟件可靠性技術(shù)較為復(fù)雜，研究和應(yīng)用難度較大，其中有如下幾個方面：a)可靠性模型非指數(shù)分布，一般屬于正態(tài)分布或威布爾分布，可靠性數(shù)學(xué)模型建立難度很大；b)可靠性指標(biāo)確定多樣化；c)目標(biāo)的實現(xiàn)、測試、評估和驗證、模式的不確定性；d)設(shè)備的軟件可靠性很難與硬件可靠性剝離。有些軟件故障是由硬件設(shè)計缺陷和故障所引發(fā)的。,可靠性工程的熱點問題四,改變傳統(tǒng)觀念 實施集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳統(tǒng)的汽車機(jī)械系統(tǒng)即將走入歷史。 Fle

18、xRay網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)用以整合包括Brake-by-Wire（電子制動）、Steer-by-Wire（電子轉(zhuǎn)向）等控制系統(tǒng)，讓汽車發(fā)展成百分之百的由單一電子系統(tǒng)控制車輛。,集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計,在技術(shù)上深入開展軟件可靠性、機(jī)械可靠性，全面推廣計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)在可靠性工程中應(yīng)用，積極采用模塊化、綜合化、容錯設(shè)計、光導(dǎo)纖維和超高速集成電路等新技術(shù)來全面提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)的可靠性。 電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械件可靠性設(shè)計熱設(shè)計EMC設(shè)計維修性設(shè)計三防設(shè)計,可靠性工程的熱點問題五,推行IPPD（Integrated Product and Process Design）管理 美國國防部研制試驗、系統(tǒng)工程與評價局系統(tǒng)工程副局長Mark schaeffer總結(jié)美國質(zhì)量管理的三個階段：(一)早期階段，推行質(zhì)量檢驗；(二)80年代，質(zhì)量重點轉(zhuǎn)移，推行TQM(Total Quality Management)；(三)90年代，重點抓產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計，推行IPPD。,IPPD管理,今天的質(zhì)量是面向預(yù)防和過程驅(qū)動，從而使質(zhì)量的全部職責(zé)由質(zhì)量專業(yè)人員轉(zhuǎn)移到機(jī)構(gòu)中的每一個人。質(zhì)量不再是“單個煙囪”式的學(xué)科。而質(zhì)量必須是工程，制造軟件編程和產(chǎn)品維護(hù)的一個綜合要素。質(zhì)量必須是商務(wù)活動的組成部份。 推行IPPD的實施強(qiáng)調(diào)并行工作和協(xié)作精神，從產(chǎn)品