系统可靠性基础理论与实践

系统可靠性理论与工程实践

年8月11日系统可靠性基础理论与实践第1页内容安排1系统可靠性基础理论

理论体系探讨2

工程实践

Intersil企业、Ford企业3可靠性工程几个热点问题

发展趋势展望系统可靠性基础理论与实践第2页可靠性一个满意用户会告诉8个人，一个不满意用户会告诉20个人，只有可靠产品才能带来长久效益和忠诚用户！系统可靠性基础理论与实践第3页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）组成、完成期望功效、并含有可接收性能和可靠性水平一个特定设计。系统可靠性基础理论与实践第4页系统实例系统可靠性基础理论与实践第5页对系统可靠性认识误区1.在特定时间内，已知系统全部单元可靠度为90%,则系统可靠度为90%。2.Mechanicalengineersknoweverything.3.Reliabilityisaproject.4.Thecraftsmanisonlyinvolvedinrepair,notinreliability.5.Thekeytohighreliabilityisspeedyrepair.系统可靠性基础理论与实践第6页可靠性方块图

(RBDs—ReliabilityBlockDiagrams)

可靠性方块图是系统单元及其可靠性意义下连接关系图形表示,表示单元正常或失效状态对系统状态影响。在一些情况下，它不一样于结构连接图。计算机简化可靠性方块图

系统可靠性基础理论与实践第7页可靠性方块

一个方块能够代表零件（元件）、部件、子系统或装配件，取决于它选择“黑箱”水平（详细层次）。系统可靠性评定第一步是获取数据（寿命或成功次数等），预计单元可靠性水平。单元可靠性预计流程系统可靠性基础理论与实践第8页1.2系统可靠性模型

(1)串联络统

(2)并联络统

(3)k/n表决系统

(4)串并联混合系统(5)

贮备系统(6)复杂系统系统可靠性基础理论与实践第9页可靠性串联络统

系统可靠度为

可靠性串联络统中，可靠性最差单元对系统可靠性影响最大。

系统可靠性基础理论与实践第10页可靠性串联络统

系统可靠性基础理论与实践第11页可靠性并联络统系统可靠度为图7可靠性并联络统冗余最大例：双工系统系统可靠性基础理论与实践第12页可靠性并联络统

系统可靠性基础理论与实践第13页k/n表决系统

特例：1/n—串联络统n/n—并联络统系统可靠度：系统可靠性基础理论与实践第14页k/n表决系统

系统可靠性基础理论与实践第15页复杂系统分析方法：

1.分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组累计算。2.theEventSpaceMethod.3.thePath-TracingMethod.

图9可靠性复杂系统模型示例

系统可靠性基础理论与实践第16页1.3

单元主要度

分析单元主要度，能够找出系统微弱步骤。单元i概率结构主要度：关键主要度FV主要度BP主要度系统可靠性基础理论与实践第17页1.4

系统可靠性分析

(1)

系统可靠度预计引入单元可靠度函数，利用上述模型即可计算系统可靠度。(2)

寿命预测依据系统可靠度，能够计算系统平均寿命、确保寿命、BX（如：B10）、可靠寿命等。另外，能够计算系统寿命分布规律、失效率。系统可靠性基础理论与实践第18页1.4

系统可靠性分析(3)

模拟分析模拟分析能够克服解析法缺点，完成复杂系统可靠性分析。其原理：基于theMonteCarlosimulationmethod,依据每个单元失效分布产生随机失效时间，模拟系统工作状态，然后对系统可靠度作经验预计。系统可靠性基础理论与实践第19页1.5

可靠性设计

在产品开发阶段要尽早考虑和结构可靠性。

将可靠性和性能一样设计到产品中去。系统可靠性基础理论与实践第20页1.5

可靠性设计(1)

问题识别：获取改进可靠性机会。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。认识失效机理和发觉改进办法。工具：FMECA，FTA等。(3)

寿命周期费用和保修费用分析。(4)

比较研究（Trade-offstudies），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。系统可靠性基础理论与实践第21页1.6

可靠性分配和可靠性优化

有两个方法改进系统可靠性：故障防止和故障容错。防止故障，要求使用高质量和高可靠性元件，通常比故障容错方法成本低些。而故障容错，需要冗余，造成设计难度加大，成本、重量、体积等增加。经典可靠性增加曲线系统可靠性基础理论与实践第22页1.6

可靠性分配和可靠性优化优化前需要明确要求：a)成本函数Cost/PenaltyFunctionb)可靠度上限MaximumAchievableReliability系统可靠性基础理论与实践第23页1.6

可靠性分配和可靠性优化改进难度和可靠度上限影响系统可靠性基础理论与实践第24页1.6

可靠性分配和可靠性优化建立系统可靠性优化目标函数：

系统可靠性基础理论与实践第25页1.6

可靠性分配和可靠性优化例：由三个单元组成可靠性串联络统，在100小时内目标可靠度为0.90，考虑五种情况：Case1­—三个单元都服从β=1.318、η=312hrs威布尔分布，改进可行性中等。Case2­—同Case1，但改进可行性不一样：单元1—易，单元2—中，单元3—难。Case3­—在100小时内，单元1、2、3可靠度分别为0.7、0.8、0.9，改进可行性相同：易。Case4­—在100小时内，单元1、2、3可靠度分别为0.7、0.8、0.9，改进可行性分别为：易、中、难。Case5­—在100小时内，单元1、2、3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所表示。

系统可靠性基础理论与实践第26页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可靠性建模方法，能够处理修复数据取得维修性特征量，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。系统可靠性基础理论与实践第27页维修方式：事后维修和预防维修

事后维修三个经典步骤：a)问题诊疗；b)故障零件更换或修理；c)维修确认。预防维修活动包含设备检验，局部或全方面定时检修，换油等。预防维修能够提升系统可靠性、降低停机时间和更换费用、优化备用件库存。系统可靠性基础理论与实践第28页预防维修：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、测试技术和诊疗技术。图14预防维修与事后维修费用比较系统可靠性基础理论与实践第29页停机时间（维修时间）

停机时间分为等候时间和修理时间。等候时间主要与后勤工作、管理工作相关。而修复时间主要取决于维修人员和产品可维修性设计。基于停机时间，能够建立维修度函数，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函数

（三个元件组成可靠性串联络统）

系统可靠性基础理论与实践第30页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：对同类产品或单个产品进行统计分析，了解MTBF、主要失效模式等。系统可靠性基础理论与实践第31页1.8可靠性管理

可靠性管理是可靠性工程组成部分，占有很主要地位，有些人曾讲；“产品可靠性是设计出来、制造出来和管理出来……”。可靠性管理工作包含：可靠性设计、试验和管理标准，可靠性纲领，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年代美国因为以经费为独立变量，废除大量军用标准，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。经过大量标准、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“网络化”管理。系统可靠性基础理论与实践第32页1.9其它相关理论

(1)

供给链分析：企业之间协作降低提供产品和服务供给链时间，降低库存。需求不确定性增大，需要供给链越灵敏。(2)

人机工程：考虑人机系统，注意人能力和局限。包含：可维修设计（拆卸、装配程序评定），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。系统可靠性基础理论与实践第33页1.9其它相关理论(3)

制造统计技术：主要包含：统计过程和质量控制（如：SPC，抽样，过程能力分析，改进计划，变差降低），试验设计（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：工业工程包括技术系统设计、安装、改进、评定和控制。目标是，在尽可能降低成本同时优化系统资源来提升质量、效率、生产率。工具：数学模型（对复杂系统应用随机模型）、试验设计、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，降低数据处理时间）、教授系统等。

系统可靠性基础理论与实践第34页2

工程实践

2.1Intersil企业Building-InReliability

Intersil（网线）企业为晶片制造商，在无线网络、电源管理领域国际领先。2.2

Ford企业UsefulLifeReliabilityProcessFord（汽车）企业将UsefulLifeReliabilityProcess任务作为产品开发系统主要工作。系统可靠性基础理论与实践第35页3可靠性工程几个热点问题

系统可靠性基础理论与实践第36页可靠性工程热点问题一

无维修使用期(MFOP)在国际上早在1995年对传统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MTBF，摒弃随机失效无法防止旧观念，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新时尚，目标是设计出不存在随机失效产品。同时，从故障修理转换到计划预防维修。系统可靠性基础理论与实践第37页无维修使用期(MFOP)要做到“无维修使用期”必须作好以下两项工作：一是改变可靠性设计思绪：以自下而上可靠性设计方法，取代采取MTBF进行自上而下分配方法。重点可采取以下设计办法：采取状态监控，故障诊疗和故障预测设计；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，留出可接收降级水平设计等。

系统可靠性基础理论与实践第38页无维修使用期(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。应做以下工作：失效物理分析、研究与应用；开展可靠性研制试验，及早暴露设计缺点，采取有效纠正办法；开展高加速应力试验(HAST)，暴露产品微弱步骤给予纠正；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给予实施。系统可靠性基础理论与实践第39页可靠性工程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，采取什么方法对故障数据进行处理，直接关系到产品生存和发展。普通都把可靠性验证试验中产品存在状态简化为“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。假如把这些后果严重程度不一样故障，等同对待，客观上是不合理，与实际情况也是不相符。系统可靠性基础理论与实践第40页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取故障加权。在1980年美军标准MIL－STD－785B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。MIL－STD－7810《工程研制判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就有近20种门类产品对故障进行加权处理。当前对故障加权有争议。

系统可靠性基础理论与实践第41页可靠性工程热点问题三加强软件可靠性设计

伴随社会日益信息化，系统(或设备)软件功效较硬件功效占系统功效百分比越来越高。时至今日软件可靠性工程相关技术还不够成熟，还有许多问题有待研究。系统可靠性基础理论与实践第42页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，其中有以下几个方面：a)可靠性模型非指数分布，普通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)目标实现、测试、评定和验证、模式不确定性；d)设备软件可靠性极难与硬件可靠性剥离。有些软件故障是由硬件设计缺点和故障所引发。系统可靠性基础理论与实践第43页可靠性工程热点问题四改变传统观念实施集成化结构设计

传统汽车机械系统即将走入历史。FlexRay网络通讯系统用以整合包含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由单一电子系统控制车辆。系统可靠性基础理论与实践第44页集成化结构设计在技术上深入开展软件可靠性、机械可靠性，全方面推广计算机辅助设计(CAD)技术在可靠性工程中应用，主动采取模块化、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方面提升当代武器系统可靠性。电子产品结构设计＝机械件可靠性设计＋热设计＋EMC设计＋维修性设计＋三防设计系统可靠性基础理论与实践第45页可靠性工程热点问题五推行IPPD（IntegratedProductandProcessDesign）管理

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。系统可靠性基础理论与实践第46页IPPD管理

今天质量是面向预防和过程驱动，从而使质量全部职责由质量专业人员转移到机构中每一个人。质量不再是“单个烟囱”式学科。而质量必须是工程，制造软件编程和产品维护一个综合要素。质量必须是商务活动组成部份