{管理信息化信息化知识}可靠性与系统工程.ppt

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可靠性简介 RMS Introduction on Reliability 任武越 RMS 开篇的话 “设备制造与服务管理方法 “ 高可靠     易维修      好保障 Reliability   Maintainability   Supportability 五项基本原则 ① 质量优先 ② 持续改进 ④ 运行保障优先 RMS A. 一些概念 B. 质量管理 C. 可靠性简介 D. 可靠性参数和指标 E. 可靠性开展流程 F. 可靠性要求、分配、预计 G. 可靠性设计方法 H. 可靠性试验 目录 CONTENTS 质量特性 RMS 专用 通用 经济性 时间性 适应性 可 靠 性 R eliability 维 修 性 M aintainability 保 障 性 Supportability 测 试 性 T estability 安 全 性 Safety 效能 权衡 寿 命 周 期 费 用 RMS 系统 由相互联系、相互作用的多要素结合而成的具有特定功能的统一体  公司  家庭  社团  党校  社会  生态圈 1. 集合性 2. 相关性 3. 层次性 4. 整体性 5. 涌现性 6. 目的性 7. 环境适应性 工程 组织管理系统的技术 规划、研究、设计、制造、试验和使用 工程 工程项目，对象系统的实现 或实施项目的结果 可靠性是设计出来的，也是管理出来的 RMS 人员比例 航空航天 可靠性中心 总体所 承制单位 • 可 靠 性 准 则 • 可 靠 性 分 配 • 可 靠 性 验 收 … … • 可 靠 性 设 计 • 可 靠 性 预 计 • 可 靠 性 试 验 … … 可靠性人员 设计人员 1 1~5∞ 其他 RMS 寿命周期费用 运输费用 运行费用 训练费用 备件费用 技术数据费用 退 役 费 用 维护费用 Life Cycle Cost 生产费用 研制费用 方案定义 工程研制 生产部署 退役 使用保障 RMS 现代系统思想的转变 市场牵引，用户需求 初期综合系统性能特性与专门特性 研制初期投入较多，研制后期投入较 少，所需总投入较少 研制初期更改较多，研制后期更改较 少，更改代价较小 满足用户需求，质量稳定性好 主动寻找故障、预防故障发生 低成本、高质量、适销对路 现代系统思想 传统设计思想 工程师及领导者的意见 重视性能，忽视系统综合 研制初期投入较少，研制后期投入较多， 所需总投入较多 初期更改较少，后期更改较多，会出现 局部甚至全局重新设计，更改代价较大 满足验收标准，质量波动性大 被动等待、解决故障问题 很难全部满足用户需求，可能会产生合 格的“废品” 产品定位 系统综合 工作量 更改次数 设计评价 工作态度 经济效益 RMS 质量 管理[1]RMS RMS 质量管理体系 文件 《中钞长城 通用质量管理准则》 《中钞长城 可靠性分析与设计 通用准则》 《中钞长城 维修性分析与设计 通用准则》 《中钞长城 安全性分析与设计 通用准则》 《中钞长城 软件可靠性分析与设计 通用准则》 《中钞长城 可靠性与寿命试验 指南》 《中钞长城 保障性分析与设计 通用准则》 公司质量管理制度 项目质量管理制度 《XX项目可靠性设计要求》 《XX项目可靠性分析要求》 《XX项目安全性分析要求》 《XX项目安全性分析要求》 …… 《XX项目可靠性参数与指标要求》 RMS 质量管理 流程 需求调查 1. 需求向技术方案的转换 2. 需求向参数指标的转换 3. 技术方案与参数指标的 权衡 • 质量功能展开 方案设计 1. RMS定性要求准则 2. RMS定量要求准则 3. RMS指标分配 4. 其他指标分配 • 可靠性分配 • 维修性分配 • 可靠性建模 设计 1. RMS分析技术 2. RMS指标分配 3. 通用设计要求 4. 专用设计要求 • 可靠性分配 • 维修性分配 • 可靠性建模 • 可靠性分析 • 可靠性仿真 • 可靠性试验 • …… 生产 设计与工艺 的一致性 使用 1. 故障统计 2. 维修记录 • 可靠性数据分析 RMS 可靠性 简介[2]RMS RMS 可靠性 可靠性 在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 规定条件 1. 使用时的环境条件和工作条件 2. 使用时的盈利条件 3. 维护方法 4. 储存时的储存条件 规定时间 • 任务和非任务时间 规定功能 • 必须具备的功能及其技术指标 解析 仿真 试验 RMS 可靠性分类 1. 规定条件 2. 规定时间 3. 无故障工作的能力 4. 反映产品对维修资源的要求 5. 所有寿命单位和关联故障 任务 可靠性 基本 可靠性 规定功能 用户费用 1. 规定的任务剖面 2. 规定功能的能力 3. 影响任务完成的故障 承制方 1. 设计和制造赋予 2. 理想的使用保障条件 固有可靠性 和 使用可靠性 使用方 1. 实际环境 2. 设计、制造、使用、环境等因素的综合影响 RMS 可靠性 参数 指标[3]RMS RMS 可靠度 在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的 概率     累积故障概率     故障密度函数 f(t) f(t) t F(t0) R(t0) t0 RMS 可靠度 在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的 概率   故障率 工作到某时刻未故障的产品， 在该时刻后单位时间内发生故障的概率 早期故障 偶然故障 耗损故障 维修后 使用寿命   t 质量管理 六西格玛 σ 1 2 3 4 5 6 690000 308000 66800 6210 230 RMS 可靠度 在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的 概率   平均故障前时间 MEAN TIME TO FAILURE N0个产品一次故障   平均故障间隔时间 MEAN TIME BETWEEN FAILURES 一个产品N0次故障 完 全 修 复 RMS 可靠性参数分类 任务 可靠性 基本 可靠性 规定功能 用户费用 1. 平均故障间隔时间 MTBF 2. 平均维修间隔时间 MTBM 3. 平均拆卸间隔时间 MTBR 4. 千行代码缺陷率 …… 1. 成功概率 2. 平均严重故障间隔时间 3. 误废率、漏废率 4. 每分钟检测量 …… 战备完好性 任务成功性 维修人力费用 保障资源费用 合同参数 使用参数 RMS 可靠性 管理流程[4]RMS 4321 分析流程 RMS 论 证 阶 段 方 案 阶 段 初 步 设 计 详 细 设 计 RMS 可靠性 要求、分配、预计[5]RMS 可靠性 定性要求 设计要求 RMS论证阶段 方案阶段 工程研制阶段 生产阶段 使用阶段 • 指定贯彻可靠性设计准则 • 简化设计 • 余度设计 • 降额设计 • 制定实施元器件大纲 • 确定关键件和重要件 …… 分析要求 • 功能危险分析（FHA） • 故障模式影响及危害性分析（FMECA） • 故障树分析（FTA） • 区域安全性分析（ZSA） …… 可靠性 定量要求 RMS论证阶段 方案阶段 工程研制阶段 生产阶段 使用阶段 • 任务成功性 • 维修人力费用 • 资源保障费用 • 贮存完好性 • 战备完好性 • 任务成功性 • 维修人力费用 • 资源保障费用 1 参数的选择 2 指标的确定 寿命剖面  任务剖面  故障判别准则  维修方案 阶段目标 其他约束条件和假设 RMS 可靠性 分配 等分配法 评分分配法 比例组合法 考虑重要度和复杂度的分配方法 余度系统的比例组合法 经典方法 最新研究 粒子群算法 模糊理论 层次分析法 神经网络 蚂蚁算法 AGREE算法 系统 分系统 部件 单元 零件 再 分 配 RMS 可靠性 预计 算 命 系统 分系统 部件 单元 零件 元器件可靠性   《电子设备可靠性预计手册》 机械可靠性   《机械设备可靠性预计程序手册》 可 靠 性 建 模 RMS 可靠性 设计方法[6]RMS RMS 故障模式影响及危害性分析 分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的 严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。 1 1 （部分）产品（将）不能完成预定功能的事件或状态 潜在故障  功能故障 自行车外胎磨损裂缝  爆胎 序号 故障模式 序号 故障模式 序号 故障模式 序号 故障模式 序号 故障模式 1 结构故障 8 误关 15 漂移性工作 22 提前运行 29 无输出 2 捆结或卡死 9 内部漏泄 16 错误只是 23 滞后运行 30 (电)短路 3 振动 10 外部漏泄 17 流动不畅 24 错误输入(过大) 31 (电)开路 4 不能保持正常位置 11 超出允差上限 18 错误动作 25 错误输入(过小) 32 (电)漏泄 5 打不开 12 超出允差下限 19 不能关机 26 错误输出(过大) 33 其他 6 关不上 13 意外运行 20 不能开机 27 错误输出(过小) 7 误开 14 间歇性工作 21 不能切换 28 无输入 2 2 约定层次的划分 功能层次 结构层次 局部影响、高一层次影响、最终影响  从下到上 3 4 3 4 严酷度 I类  （灾难的）  II类 （致命的） III类（临界的）  IV类（轻度的） IV           III          II            I M1 M2 RMS 故障模式影响及危害性分析 分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的 严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。 代码 产品或 功能标识 功能 故障 模式 故障 原因 任务阶段与 工作方式 故障影响 严酷度 类别 故障检测 方法 补偿 措施 备注局部 影响 高一层 次影响 最终 影响 初始约定层次产品 约定层次产品 任       务 分析人员 审核 批准 第   页  共   页 填表日期 故障模式影响分析表 RMS 故障树分析 表明产品哪些组成部分的故障或外界事件或他 们的组合将导致产品发生一种给定故障的逻辑图。 组成元素 • 事件及其符号 • 逻辑门及其符号 输出结果 • 最小割集 • 顶事件发生概率 • 重要度 RMS 不同阶段的可靠性设计方法 设计分析方法 指标论证 方案论证 初步设计 详细设计 可靠性定性定量要求制定 √ √ 可靠性分配 √ √ 可靠性模型建立 √ √ √ 可靠性预计 √ √ √ 可靠性设计准则制定与贯彻 √ √ √ 简化设计 √ √ △ 余度设计 √ √ △ 容错设计 √ √ △ 降额设计 △ √ √ 热设计热分析 √ √ √ RMS 可靠性设计 电路 • 优选元器件清单 PPL • 降额设计 • 潜在通路分析 • 热设计/热分析 • 容差分析 不同对象专用设计方法 机械 • 余度设计 • 潜在通路分析 • 耐久性分析 • [机械可靠性] • [热设计] • [故障预测与健康管理 PHM] 软件 • 不同阶段的避错设计 • 人工的文档和代码审查 • 静态分析 • 动态测试 • 容错设计 RMS 电路 优选元器件清单  提高型号的可靠性  减少设计费用  加快研制进度 控制元器件质量和可靠性的最重要的一项内容 60% 机载设备 50% 电子设备 • 元器件的选择 • 元器件生产厂家的选择 • 元器件内在质量评价 • 二次筛选 • 电装后的质量跟踪 • 建立元器件质量数据库 …… RMS 电路 降额设计 限制元器件在使用中  承受应力 < 设计的额定值 GJB/Z35 《元器件降额准则》 三级降额 I II III I. 可靠性极大提高，设计困难 II. 明显改善可靠性，易于设计 III. 相对效益最大，可靠性改善不足， 最易实现 金属膜电阻器 (40℃) 1 13 15 基本失效率/(10-6h-1) 失效率降低比例% RMS 电路 潜在通路分析 20世纪60年代末期．美国发射红石火箭时， 由于发射点火指令的控制插头比尾插头晚29ms脱 落、此时一条通过关机线圈的潜在电路被系统激发， 造成火箭刚起飞又被误关机的严重后果 表现形式 潜在 路径 时序 指示 标志 意外路径 意外逻辑流 208        13         1500 潜在通路       设计缺陷        设计图错误 阿波罗 RMS 电路 热设计/分析 每升高10度，寿命减少一倍 25 75 温度差 故障率升 高倍数 锗普通二极管 50 锗PNP晶体管 热设计 定性 电阻器叉排方式排列 发热中心线与入风口中心线一致 内表面涂黑，外表面淡黑 定量 降额设计 散热器热阻计算 热分析 仿真为主 FloTHERM 器件级电路热分析专用工具 RMS 电路 容差分析 元器件容差的累计会使电路、设备或系统的输出超出规定值而无法使用 更改电路设计，允许较大公差存在 关键电路减少元器件，注重参数高稳定、低公差 蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真 • 输出公差范围直方图 • 均值、方差和置信区间 分析方法 最坏情况试验法  最坏情况分析法  伴随网络法  阶矩法 RMS 机械 余度设计 构造多余资源协同工作，提高任务可靠性 设计简单 可靠性改善明显 任务成功率提高 优势 劣势 对检测、切换要求高 系统复杂 基本可靠性降低 增加维修保障资源 简单并联 双重并联 混合并联（串并 并串） 简单多数表决余度 自适配式多数表决器 门连接式多数表决余度 非运行状态备用余度（冷储备） 运行状态备用余度（热储备） 形式 0 单元可靠度 可 靠 度 提 高 倍 数 RMS 机械 潜在通路分析 将能量的流动用元器件符号表示出来 同上 RMS 机械 机械可靠性 耗损型失效  疲劳、老化、磨损、腐蚀等 失效率随时间变化 多种失效模式共同作用 人工 分析 干涉理论 静强度 疲劳与断裂 磨损与腐蚀 有限元 ANSYS 可靠性指标 可靠性分配 RMS 潜在特征 机械 故障预测与健康管理 利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法来评估正在运行的系统自身的健 康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实 现系统的视情维修 监测 管理 1. 数据驱动 2. 寿命耗损监测 3. 融合 描述 物理模型 神经网络 数据融合 模糊逻辑 专家系统 诊断 预测 实施 保 障 维 修 避错 设计 RMS 软件 避错设计 七大原理 简单  同型  对称  层次 线型  易证  安全 1 2 3 • 需求分析与用户密切合 作 • 统一的需求建模方法 • 层次分解，不断细化 • 需求规格说明文档 • 功能分析需求 准则 • 非功能分析需 求准则 • 程序结构设计 • 程序简化设计 • 软件健壮性设计 • 软件冗余设计 RMS 软件 人工审查 文档审查 完整性 准确性 一致性 软件开发计划 软件需求规格说明 软件设计文档 软件测试计划与报告 用户使用和维护手册 代码审查 数据声明错误 比较错误 控制流错误 输入\输出错误 接口错误 其他情况 小组讨论 测试成员提供用例 追踪程序，记录过程 RMS 软件 静态 动态 静态分析 静态结构分析 质量度量 代码规则检查 动态测试 逻辑覆盖测试 逻辑覆盖测试功能分析 等价类分析 边界值分析 圈复杂度 扇入\扇出 注释行 控制流 数据流 UR DU DD 接口 表达式 RMS 可靠性 试验[7]RMS RMS 工程试验 统计试验 环境应 力筛选 可靠性 研制试验 可靠性 增长试验 可靠性 鉴定试验 可靠性 验收试验 分类 可靠性 试验 RMS 环境应力筛选 潜在缺陷故障 发现和排除产品中不良元器件、制造工艺 和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障 安全性准则 可行性准则 准则 经济性准则 任务关键性准则 元器件 环 境 应 力 和 电 应 力 RMS 环境应力筛选 典型缺陷 温度和振动 元器件参数漂移 电路板开路、短路 元器件安装不当 错用元器件 密封失效 化学污染 导线束端头缺陷 夹接不当 温度循环 振动 Temperature vibration Mixed 粒子污染 压紧导线磨损 晶体缺陷 混装 邻近板摩擦 两个元器件短路 导线松脱 元器件粘接不良 大质量元器件紧固 不当 机械性缺陷 焊接缺陷 硬件松脱 元器件有缺陷 紧固件问题 元器件破损 电路板蚀刻缺陷 RMS 环境应力筛选 案例 1 2 3 4 准备工作 初始性能检测 环境应力筛选应力施加 最后性能检测 检查受筛产品 技术状态、试 验设备和检测 仪器、夹具等 按有关标准和技术 文件对受筛产品进 行外观、机械及电 气性能检测等记录 3-1 3-2 通过无故障筛选产 品在规定标准大气 条件下运行，按产 品技术条件进行性 能检测并记录结果 寻找和排除故障 无故障检验 3-1A 3-1B 3-2A 3-2B 随机振动 温度循环 温度循环 随机振动 5min 10循环(40h) 10循环连续 无故障(40h) 5min连续无 故障 最长不超过20 循环(80h) 最长不超过 15min 尽最大可能检测性能 性能检测 RMS 可靠性验证试验 可靠性 鉴定试验 可靠性 验收试验 理想抽样特性曲线 Θ0≥ Θ 合格 Θ0< Θ 不合格 0 1 L(Θ) Θ0 Θ 1 两类错误及风险 生产方风险α —— 将合格产品批判为不合格产品批而拒收 使用方风险β —— 将不合格产品批判为合格产品批而接收 2 Θ0可接受的平均寿命，极限质量 Θ1不可接受的平均寿命，可接受质量 0 1 L(Θ) Θ0 Θ β 1-α α Θ1 L(Θ0) = 1 - α L(Θ1) = β RMS 储存寿命试验 测量性能 y   特征参数 t y0 t* t0 存储寿命 维护 故障 阈值     退化规律的线性关系 RMS 总结 1 系统工程 将产品项目各个过程中涉及到人员、环境、流程、技术方法、资源、制度等一系列影响产品的因素作为统一的系统加 以研究。从系统整体对可靠性进行管理和设计。 2 可靠性设计 不同阶段使用的可靠性设计方法不同，针对产品逐层逐级开展可靠性分析，对不同的对象采用通用的可靠性分析后， 使用专用的可靠性分析方法进行设计，从根本上提高产品的可靠性水平。对产品单元进行合理的取舍，使可靠性得以 顺利的开展进行。 3 可靠性试验 是衡量产品可靠性水平的途径。对于激发产品潜在故障，寻找产品薄弱环节具有很高的实用价值。但成本较高，限定 了可靠性试验的开展，因此有针对的，简化的可靠性试验是研究重点。 RMS 度量和要求 分析 设计 分析方法 设计方法 设计准则 要求 然后 维修性 安全性 保障性 测试性 可靠性 RMS 数据积累 可靠性是一门基于随机变量和概率统计学的一门学科 谢谢 可靠性简介 任武越 中钞长城金融设备控股有限公司 技术部 · 可靠性工程师 Email  renwy@ Tel      010 - 59062942 谢谢