系统可靠性理论与威布尔分布

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。
2 工程实践
2.1Intersil 公 司 的 Building-In Reliability

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。
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。
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
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、 开展可靠性研制试验，及早暴露设计缺陷，采
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， 制订合理预防维修计划并予以实施。
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。
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。
可靠性串联系统


可靠性并联系统
系统可靠度为
n
Rs 1 (1 Ri ) i 1
冗余最大 例：双工系统
图7 可靠性并联系统
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。
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。
系统可靠性理论与工程实践
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
(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
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
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.

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。
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。
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β=1.318、η=312hrs的威布尔 分布，改进可行性中等。
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。
可靠性方块图 (RBDs—Reliability 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）。
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。 (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。
2. the Event Space Method.
3. the 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
(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。
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。
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。