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1、)系统可靠性理论与工程实践 2002年8月11 日)内容安排l 1系统可靠性基础理论l 理论体系探讨l 2工程实践l Intersil 公司、Ford 公司l 3可靠性工程几个热点问题l 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l 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
2、90%,则系统可靠度为90%。2.Mechanicalengineersknoweverything.3.Reliabilityisaproject.4.Thecraftsmanisonlyinvolvedinrepair,notinreliability.5.Thekeytohighreliabilityisspeedyrepair.)可靠性方块图(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 l 一个方块
3、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）。l 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 l 系统可靠度为l l 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l l)可靠性并联系统l 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 l 特例：1/n 串联系统l n/n 并联系统l 系统可靠度：)k/
4、n 表决系统)复杂系统l 分析方法：l 1.分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组合计算。l 2.theEventSpaceMethod.l 3.thePath-TracingMethod.图9可靠性复杂系统模型示例)1.3单元重要度l 分析单元重要度，可以找出系统的薄弱环节。l 单元i 的概率结构重要度：l 关键重要度l FV 重要度l BP 重要度)1.4系统可靠性分析l(1)系统可靠度估计l 引 入 单 元 可 靠 度 函 数，运 用 上 述 模 型 即 可 计 算系统可靠度。l(2)寿命预测l 根 据 系 统 可 靠 度，可 以 计 算系 统 的 平 均 寿 命、保 证 寿 命、
5、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l(3)模拟分析l 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theMonteCarlosimulationmethod,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l 在产品开发阶段要尽早考虑和构造可靠性。l l 将可靠性和性能一样设计到产品中去。)1.5可靠性设计l(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
6、等。l(2)失 效 分 析。认 识 失 效 机 理 和 发 现 改 进 措 施。工 具：FMECA，FTA 等。l(3)寿命周期费用和保修费用分析。l(4)比 较 研 究（Tradeoff studies），可 靠 性 优 化，费 用效益分析。l(5)可靠性目标确定。工具：QFD 等。l(6)可靠性优化分配。)1.6可靠性分配和可靠性优化l 有 两 个 方 法 改 进 系 统 的可 靠 性：故 障 避 免 和故障容错。l 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
7、 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l 优化前需要明确规定：l a)成本函数Cost/PenaltyFunctionl b)可靠度上限MaximumAchievableReliability)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
8、 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。
9、)1.7可修复系统l 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 l 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。l 预 防 维 修 活 动 包 括 设备 检 查，局 部 或 全 面定期检修，换油等。l 预 防 维 修 可 以 提 高 系统
10、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 l 计划维修针对产品老化情况。l 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、维修最佳间隔期的确定、设备维修模拟等。l 视情维修l 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）l 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
11、以 建 立 维 修度 函 数，统 计 维 修 性特征量。l 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l 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。l 维修费用分析：识别主要费用要素。l 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 l 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”。l 可 靠
12、 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。l 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 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
13、 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 l(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。l(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
14、分析等。)1.9其他相关理论l(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。l(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
15、 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工程实践l 2.1Intersil 公 司 的Building-InReliabilityl l Intersil（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。l 2.2Ford 公 司 的 UsefulLifeReliabilityProcessl Ford（汽车）公司将UsefulLifeReliabilityProcess 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l
16、 无维修使用期(MFOP)l 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)l 要做到“无维修使用期”必须作好如下两项工作：l
17、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；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)l 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：l 失效物理分析、研究与应
18、用；l 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；l 开 展 高 加 速 应 力 试 验(HAST)，暴 露 产 品 薄 弱 环节予以纠正；l 严格设计评审制度，消除设计隐患；l 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l 可靠性指标体系及其验证l 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
19、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l 早在70年代美国在地面产品广泛地采用故障加权。l 在1980年 美 军 标 准MIL STD 785B 颁 布 后，故 障 加权处理方法被取缔。l 产 品 可 靠 性 指 标 细 化 分 解，分 别 验 证。MIL STD 7810 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。l 我 们 国 家 有 标 准 可 查 的 就 有 近20种 门 类
20、 产 品 对 故 障 进行加权处理。l 目前对故障加权有争议。)可靠性工程的热点问题三l 加强软件可靠性设计l 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。l 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l 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
21、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。)可靠性工程的热点问题四l 改变传统观念实施集成化结构设计l 传统的汽车机械系统即将走入历史。FlexRay 网络通讯系统用以整合包括Brake-by-Wire（电子制动）、Steer-by-Wire（电子转向）等控制系统，让汽车发展成百分之百的由单一电子系统控制车辆。)集成化结构设计l 在技术上深入开展软件可靠性、机械可靠性，全面推广计算机辅助设计(CAD)技术在可靠性工程中应用，积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。l 电子产品结构设计机械件可靠性设计热设
22、计EMC 设计维修性设计三防设计)可靠性工程的热点问题五l 推行IPPD（IntegratedProductandProcessDesign）管理l 美国国防部研制试验、系统工程与评价局系统工程副局长Markschaeffer 总结美国质量管理的三个阶段：(一)早期阶段，推行质量检验；(二)80 年代，质量重点转移，推行TQM(TotalQualityManagement)；(三)90 年代，重点抓产品研发设计，推行IPPD。)IPPD 管理 l 今 天 的 质 量 是 面 向 预 防 和 过 程 驱 动，从 而 使 质 量 的 全部 职 责 由 质 量 专 业 人 员 转 移 到 机 构 中
23、 的 每 一 个 人。质量 不 再 是“单 个 烟 囱”式 的 学 科。而 质 量 必 须 是 工 程，制 造 软 件 编 程 和 产 品 维 护 的 一 个 综 合 要 素。质 量 必 须是商务活动的组成部份。l 推 行IPPD 的 实 施 强 调 并 行 工 作 和 协 作 精 神，从 产 品 设计 开 始，来 自 设 计、制 造、试 验、使 用 和 保 障 等 各 方面 的 人 员 组 成 多 学 科 的 综 合 产 品 组(IPT)，协 同 工 作，所 有 人 员 都 要 了 解 产 品 的 总 目 标 和 技 术 要 求，统 一 考虑 并 共 同 解 决 各 学 科 问 题。这 种
24、管 理 方 法 确 保R&M&S(包 括 测 试 性、保 障 性 和 安 全 性)，从 设 计 一 开始就与传统的性能一起设计到产品中去。)IPPD 管理l 要作好IPPD 管理，必须作好如下工作：l a)在 产 品 研 发 一 开 始 就 要 树 立 将 质 量 与 可 靠 性 设 计 到产品中去的思想，在分案设计时就应组织IPT小组。l b)解 决 如 何 把 技 术 性、可 靠 性、维 修 性、测 试 性、保 障 性、经 济 性、安 全 性 等 统 一 权 衡 优 化，并 行 设 计到产品中去的技术问题。l c)开展网络化管理，加强可靠性与质量监控工作。l d)使IPT有 效 工 作，必
25、 须 加 强 团 队 合 作 精 神，更 重 要的 是“沟 通”，“沟 通”的 核 心 问 题 是 如 何 将 数 据 转换成有用的信息，使IPT小组更好工作。)可靠性工程的热点问题六l 开辟可靠性管理新模式，实施网络化管理l“网络化”管理的要点是：a)实施并行工程。在产品研发过程中要全过程、全因素、全方位(技术性、可靠性、维修性、保障性、安全性、经济性等)并行进行。b)加强过程监控。尤其在产品研发过程中的可靠性判决点上即网络结点上，进行严格评审。c)加强信息传递与管理。网络化管理能够有效运转关键在于信息的沟通和快速传递。d)实施制度化和规范化管理。)结束语l 系统的开放性与技术的局限性l 例：克宫宫顶的保护神l 参考和引用了许多文献，一并致谢！l 请同行们多给予赐教！批评指正！l 谢谢大家！