系统可靠性理论与工程实践+

1、系统可靠性理论与工程实践,2002年8月11日,内容安排,1 系统可靠性基础理论理论体系探讨 2 工程实践Intersil公司 、Ford公司 3 可靠性工程几个热点问题发展趋势展望,可靠性,一个满意的顾客会告诉8个人， 一个不满意的顾客会告诉20个人， 只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！,1 系统可靠性基础理论,系统可靠性基本术语（1） 系统（System）一个系统是由一组零件（元件）、部件、子系统或装配件（统称为单元）构成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一种特定设计。,系统实例,对系统可靠性的认识误区,1.在特定的时间内，已知系统所有单元的可靠度为90%,则系统可靠度为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.,可靠性方块图

2、 (RBDsReliability Block Diagrams),可靠性方块图是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形表达, 表示单元的正常或失效状态对系统状态的影响。在一些情况下，它不同于结构连接图。,计算机的简化可靠性方块图,可靠性方块,一个方块可以代表零件（元件）、部件、子系统或装配件，取决于它选择的“黑箱”水平（具体层次）。 系统可靠性评估的第一步是获取数据（寿命或成功次数等），估计单元的可靠性水平。,单元可靠性估计的流程,1.2 系统可靠性模型,(1) 串联系统 (2) 并联系统 (3) k/n表决系统 (4) 串并联混合系统 (5) 储备系统 (6)复杂系统,可靠性串联系统,系统可靠度为可靠性串联系统中，可靠性最差的单元对系统的可靠性影响最大。,可靠性串联系统,可靠性并联系统,系统可靠度为,图7 可靠性并联系统,冗余最大 例：双工系统,可靠性并联系统,k/n表决系统,特例：1/n串联系统n/n并联系统系统可靠度：,k/n表决系统,复杂系统,分析方法：1. 分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组合计算。2. the Event Space Method.3. the

3、Path-Tracing Method.,图9 可靠性复杂系统模型示例,1.3 单元重要度,分析单元重要度，可以找出系统的薄弱环节。单元i的概率结构重要度： 关键重要度 FV重要度 BP重要度,1.4 系统可靠性分析,(1) 系统可靠度估计 引入单元可靠度函数，运用上述模型即可计算系统可靠度。 (2) 寿命预测 根据系统可靠度，可以计算系统的平均寿命、保证寿命、BX（如：B10）、可靠寿命等。此外，可以计算系统的寿命分布规律、失效率。,1.4 系统可靠性分析,(3) 模拟分析模拟分析可以克服解析法的缺点，完成复杂系统的可靠性分析。其原理：基于the Monte Carlo simulation method, 根据每个单元的失效分布产生随机失效时间，模拟系统的工作状态，然后对系统可靠度作经验估计。,1.5 可靠性设计,在产品开发阶段要尽早考虑和构造可靠性。将可靠性和性能一样设计到产品中去。,1.5 可靠性设计,(1) 问题识别：获取改进可靠性的机会。工具：维修数据分析、用户意见分析、可靠性试验、可靠性分析等。 (2) 失效分析。认识失效机理和发现改进措施。工具：FMECA，FTA等。

4、(3) 寿命周期费用和保修费用分析。 (4) 比较研究（Trade-off studies），可靠性优化，费用效益分析。 (5) 可靠性目标确定。工具：QFD等。 (6) 可靠性优化分配。,1.6 可靠性分配和可靠性优化,有两个方法改进系统的可靠性：故障避免和故障容错。避免故障，要求使用高质量和高可靠性的元件，通常比故障容错方法的成本低些。而故障容错，需要冗余，导致设计难度加大，成本、重量、体积等增加。,典型的可靠性增长曲线,1.6 可靠性分配和可靠性优化,优化前需要明确规定：a) 成本函数Cost/Penalty Function b) 可靠度上限Maximum Achievable Reliability,1.6 可靠性分配和可靠性优化,改进难度和可靠度上限的影响,1.6 可靠性分配和可靠性优化,建立系统可靠性优化的目标函数：,1.6 可靠性分配和可靠性优化,例：由三个单元组成的可靠性串联系统，在100小时内的目标可靠度为0.90，考虑五种情况： Case 1三个单元都服从=1.318、=312hrs的威布尔分布，改进可行性中等。 Case 2同Case 1，但改进可行性不同：单元

5、1易，单元2中，单元3难。 Case 3在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为0.7、0.8、0.9，改进可行性相同：易。 Case 4在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为0.7、0.8、0.9，改进可行性分别为：易、中、难。 Case 5在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为0.7、0.8、0.9，改进可行性分别为：难、易、中。 假设在100小时内，MAR均为0.999，则优化结果如右表1所示。,1.7 可修复系统,对于可修复系统，须同时考虑可靠性和维修性。类似于基于寿命数据的可靠性建模方法，可以处理修复数据获得维修性特征量，如：维修度、修复率、平均修复时间等。可用性综合考虑可靠性和维修性。,维修方式：事后维修和预防维修,事后维修的三个典型步骤：a)问题诊断；b)故障零件的更换或修理；c)维修确认。,预防维修活动包括设备检查，局部或全面定期检修，换油等。 预防维修可以提高系统的可靠性、减少停机时间和更换费用、优化备用件库存。,预防维修 ：计划维修和视情维修,计划维修针对产品老化情况。 基础工作：维修历史记录分析、传感器监测数据分析、备用件库存优化、维修最佳间隔期的

6、确定、设备维修模拟等。,视情维修 基础：设备性能退化、测试技术和诊断技术。,图14 预防维修与事后维修的费用比较,停机时间（维修时间）,停机时间分为等待时间和修理时间。等待时间主要与后勤工作、管理工作有关。而修复时间主要取决于维修人员和产品的可维修性设计。基于停机时间，可以建立维修度函数，统计维修性特征量。,更新理论,图13 系统停机时间为元件停机时间的函数 （三个元件组成的可靠性串联系统）,可修复系统,可用度分为瞬时可用度、稳态可用度、平均可用度、使用可用度等。维修费用分析：识别主要费用要素。失效数据分析：对同类的产品或单个产品进行统计分析，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组成部分，占有很重要地位，有人曾讲；“产品可靠性是设计出来的、制造出来的和管理出来的”。 可靠性管理工作包括：可靠性设计、试验和管理标准，可靠性大纲，可靠性管理机构，数据网等。从产品可靠性指标分配、预计、可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、数据交换等进行系统化管理。 90年代美国由于以经费为独立变量，废除大量的军用标准，大力推行健壮设计和并行工程及IPPD管理。首先在美国海

7、军及其相关工业部门广泛推广“网络化”管理。通过大量标准、规范引入和支持，为“网络化”管理提供依据和指导，实施程序化、规范化、系统化的“网络化”管理。,1.9 其他相关理论,(1) 供应链分析：企业之间的协作减少提供产品和服务的供应链时间，减少库存。需求不确定性增大，需要供应链越敏捷。(2) 人机工程：考虑人机系统，注意人的能力和局限。包括：可维修设计（拆卸、装配程序评估），软硬件设计（人机界面、通讯、显示与控制技术），可操作性试验（录像分析，方案比较），人操作可靠性分析等。,1.9 其他相关理论,(3) 制造统计技术：主要包括：统计过程和质量控制（如：SPC，抽样，过程能力分析，改进计划，变差减少），实验设计（DOE），统计建模（如：SPC，回归分析，方差分析，时序分析，多元分析，非参数分析）等。(4) 工业工程：工业工程涉及技术系统的设计、安装、改进、评估和控制。目标是，在尽可能降低成本的同时优化系统的资源来提升质量、效率、生产率。工具：数学模型（对复杂系统应用随机模型）、实验设计、连续过程改进、生产性研究、计算机模拟、神经网络（处理非线性现象，减少数据处理时间）、专家系统等。,2

8、工程实践,2.1Intersil公司的Building-In ReliabilityIntersil（网线）公司为晶片制造商，在无线网络、电源管理领域国际领先。,2.2 Ford公司的Useful Life Reliability Process Ford（汽车）公司将Useful Life Reliability Process 任务作为产品开发系统的重要工作。,3 可靠性工程的几个热点问题,可靠性工程的热点问题一,无维修使用期(MFOP) 在国际上早在1995年对传统的可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的MTBF，摒弃随机失效无法避免的旧观念，故障率浴盆曲线分布规律也就被打破。当前国际上兴起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流，目的是设计出不存在随机失效的产品。同时，从故障修理转换到计划预防维修。,无维修使用期(MFOP),要做到“无维修使用期”必须作好如下两项工作： 一是改变可靠性设计思路：以自下而上的可靠性设计方法，取代采用MTBF进行自上而下分配方法。重点可采取如下设计措施：采用状态监控，故障诊断和故障预测设计；容错设计；可重构性设计；动态设计

9、；故障软化设计；环境防护设计；冗余设计；在任务能力不受影响下，留出可接受的降级水平设计等。,无维修使用期(MFOP),二是改变可靠性工程工作方法：必须把人力、精力集中于产品研发早期阶段。应做如下工作： 失效物理分析、研究与应用； 开展可靠性研制试验，及早暴露设计缺陷，采取有效纠正措施； 开展高加速应力试验(HAST)，暴露产品薄弱环节予以纠正；严格设计评审制度，消除设计隐患；制订合理预防维修计划并予以实施。,可靠性工程的热点问题二,可靠性指标体系及其验证 在产品可靠性验证与评价中，在确认故障，采用什么方法对故障数据进行处理，直接关系到产品的生存和发展。一般都把可靠性验证试验中产品的存在状态简化为“二元状态（成功、故障）”处理。故障统计也比较简单，要么为0，要么为1，对故障既不分类，也不加权，这在工程实施显然存在问题。如果把这些后果严重程度不同的故障，等同看待，客观上是不合理的，与实际情况也是不相符的。,可靠性指标体系及其验证,早在70年代美国在地面产品广泛地采用故障加权。 在1980年美军标准MILSTD785B颁布后，故障加权处理方法被取缔。 产品可靠性指标细化分解，分别验证。MILSTD7810工程研制鉴定和生产可靠性试验正式文本中，首次提出在可靠性验证中按后果严重程度把发生故障区分为：致命故障，严重故障和轻度故障三类。 我们国家有标准可查的就有近20种门类产品对故障进行加权处理。 目前对故障加权有争议。,可靠性工程的热点问题三,加强软件可靠性设计 随着社会日益信息化，系统(或设备)软件功能较硬件功能占系统功能比例越来越高。 时至今日软件可靠性工程的有关技术还不够成熟，还有许多问题有待研究。,软件可靠性设计,在开展可靠性工程工作时，对软件可靠性提及甚少，原因有二：一是开展软件可靠性工作较晚。二是软件可靠性技术较为复杂，研究和应用难度较大，其中有如下几个方面：a)可靠性模型非指数分布，一般属于正态分布或威布尔分布，可靠性数学模型建立难度很大；b)可靠性指标确定多样化；c)目标的实现、测试、评估和验证、模式的不确定性；d)设备的软件可靠性很难与硬件可靠性剥离。有些软件故障是由硬件设计缺陷和故障所引发的。,

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