一种基于逻辑决断的故障模式消减闭合方法

摘要

一种基于逻辑决断的故障模式消减闭合方法，包含四个步骤：步骤一：开展FMECA分析并将结果按照一定的标准进行归类；步骤二：以归类的故障模式集合为对象，计算故障模式消减对RMS指标的影响，并基于粗糙集理论计算确定最优故障模式消减方案；步骤三：实施故障模式消减；步骤四：实施有效性验证。本发明使设计人员能以故障模式为中心，系统地考虑定性设计与定量指标实现之间的关系，同时监控各项相关的可靠性、维修性、保障性、测试性和安全性设计情况，逐一解决这些设计中存在的缺陷和不足，从而快速、有效地实现RMS指标要求，进而缩短研制周期，降低研制成本。

主权项

1.一种基于逻辑决断的故障模式消减闭合方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：开展FMECA分析根据当前产品技术状态，选择适合的故障模式影响及危害性分析方法，制定相应的表格，分析产品各组成部分的潜在故障模式及其故障原因、故障影响，并进一步根据严酷度等级、故障模式危害度或风险优先数标准将所有故障模式分析记录进行分类，如分为I、II类故障模式集和III、IV类故障模式集；表1硬件故障模式影响及危害性分析表步骤二：确定故障模式消减方案针对已归类的特定故障模式集合中的每一条故障模式记录，分析该故障模式消减后对RMS指标的影响，然后基于计算得到的RMS指标，结合RMS指标的目标值，运用粗糙集理论确定故障模式消减次序方案；其具体实现过程如下：第1步：计算故障模式消减对RMS指标的影响在分析故障模式消减对RMS指标的影响时，首先给出如下假设条件：1)故障模式消减措施都是合理有效的；2)各类故障模式相互独立；3)消减过程中没有引入新的故障模式；4)故障逻辑关系是单调的；1)计算对可靠性指标的影响模型针对不同产品类型，所使用的可靠性指标可能不同，在不影响说明故障模式消减对可靠性指标影响的情况下，在此选用产品设计过程中最常用的可靠性指标：平均故障间隔时间即MTBF，加以说明；设产品i的I、II类故障模式集合为{f_i1，f_i2，…，f_in}，n为I、II类故障模式总数，已消减的I、II类故障模式集合为不妨记前m1个故障模式被完全消除，其余m2＝m-m1个故障模式的频数比α_ij得到了降低，记降低后的频数比为α′_ij(j＝tm1+1，tm1+2，…，tm)，当{f_it1，f_it2，…，f_itm}＝φ时，表示无故障模式被消减；因此，经过一轮的故障模式消减后，产品i的MTBF_i变为其表达式如下：${\mathrm{MTBF}}_i^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{MTBF}}_i\times \frac{1}{1-{\Sigma }_{j=1}^{m1}{\alpha }_{\mathrm{ij}}-{\Sigma }_{j=m1+1}^m({\alpha }_{\mathrm{ij}}-{\alpha }_{\mathrm{ij}}^{\prime })}& 0\le m\le n\\ \infty & m=n\end{array}\right.---\left(1\right)$易见，随着消减数量m的增大，和不变或增大，也随之增大；如果产品i的失效分布类型为指数分布，则其故障率和可靠度表示为${\lambda }_i^{*}=1/{\mathrm{MTBF}}_i^{*}---\left(2\right)$$R_i^{*}=e^{-{\lambda }_i^{*}t}---\left(3\right)$2)计算对安全性指标的影响模型同理，在此以产品设计过程中最常用的安全性指标：事故率(P_A)，加以说明；假设产品i可能造成安全性事故的故障模式集合为当{f_iI1，f_iI2，…，f_iIh}＝φ时，表示无灾难性或致命性故障模式；再设，前r1(0≤r1≤h)个可能造成安全性事故的故障模式已消除，后r2＝h-r1个可能造成安全性事故的故障模式频数比α_ij得到降低，记为α′_ij；经过一轮消减后，产品i的P_A变为其表达式如下：$P_A^{*}=\frac{n_T{\Sigma }_{j=r1+1}^h{\alpha }_{\mathrm{ij}}^{\prime }}{N_T}---\left(4\right)$式中，N_T表示产品i的寿命单位总数，即产品总使用持续期的度量，如工作小时、飞行小时、工作循环次数；n_T表示N_T时间范围内发生的故障总数；3)计算对维修性指标的影响模型维修性指标的计算与修理级别或产品层次有关，对可更换单元RU或单元级产品，其维修活动主要为更换维修，因而维修性指标主要取决于维修可达性；从故障模式消减角度，认为其维修性指标保持不变；而对系统级产品，其维修性指标主要由子级设备或RU的可靠性指标及维修性指标共同决定，因此，下面仅分析系统级产品维修性指标随故障模式消减的影响模型；同上，选择维修性指标：平均修复时间即MTTR，加以说明；设产品D是由产品i{i＝1，2，…，P}构成的，其失效分布类型为指数分布；首先对λ_iMTTR_i{i＝1，2，…，P}从小到大进行排序，根据工程实际，应先消减λ_iMTTR_i较大的产品的关键故障模式，以此为基准，假设有K个产品经过了故障模式消减，那么经过一轮故障模式消减后，产品D的MTTR_D的变为其表达式如下：${\mathrm{MTTR}}_D^{*}=\frac{{\Sigma }_{i=1}^K{\lambda }_i^{*}{\mathrm{MTTR}}_i+{\Sigma }_{i=K+1}^P{\lambda }_i{\mathrm{MTTR}}_i}{{\Sigma }_{i=1}^K{\lambda }_i^{*}+{\Sigma }_{i=K+1}^P{\lambda }_i}---\left(5\right)$4)计算对测试性指标的影响模型下面选择故障检测率即r_FD，加以说明；在实际工程中，一般会优先消除无法或难以检测的故障模式，如果无法消除，则会优化检测手段，提高被检测到的概率；设产品i可检测到的故障模式集合为当{f_id1，f_id2，…，f_idp}＝φ时，表示任一故障模式均无法检测到；再设，经过一轮消减后，有p1个无法检测的故障模式得到消除，有p2个故障模式从无法检测变为可检测，其故障模式发生概率记为λ′_Dij(j＝1，2，…，p2)；那么，其故障检测率则变为$r_{\mathrm{FD}}^{*}=\frac{{\Sigma }_{j=1}^p{\lambda }_{\mathrm{Dij}}+{\Sigma }_{j=1}^{p2}{\lambda }_{\mathrm{Dij}}^{\prime }}{{\lambda }_i^{*}}---\left(6\right)$式中，λ_Dij表示产品i可检测到的故障模式的发生概率；5)计算对保障性指标的影响模型保障性指标是一综合指标，在此选择使用可用度A_O加以说明：设产品i的平均保障延误时间为MLDT_i，由于MLDT_i由后勤管理延误时间及备件的平均供应反应时间决定，认为其值不变，因此，经过一轮故障模式消减后，产品i的A_Oi变为其表达式如下：$A_{\mathrm{Oi}}^{*}=\frac{{\mathrm{MTBF}}_i^{*}}{{\mathrm{MTBF}}_i^{*}+{\mathrm{MTTR}}_i+{\mathrm{MLDT}}_i}---\left(7\right)$产品D的使用可用度A_O变为其表达式如下：$A_O^{*}={\Pi }_{i=1}^n{A}_{\mathrm{Oi}}^{*}---\left(8\right)$第2步：基于粗糙集的消减方案决策方法1)构造信息表结合粗糙集理论，首先构造一个产品i的I、II类故障模式消减的表达系统，即信息表M，如表2所示；表2故障模式消减信息表上表中，P_R、P_S、P_M、P_T、P_LS分别表示可靠性、安全性、维修性、测试性和保障性指标的目标满足率；v_R1表示属性值，即故障模式f_i1消减后可靠性指标的目标满足率，其它类似符号依此类推；下面给出各属性值的计算公式：●对于递增型指标v＝I^*/I^o    (9)式中，I^*表示故障模式消减后对应的指标值；I^o表示对应指标的目标值；一般情况下，I^*≤I^o，但也存在I^*＞I^o的可能，此时设计人员需注意，产品可能过设计；●对于递减型指标v＝2-I^*/I^o    (10)此时要求I^*≤2I^o，如果I^*＞2I^o，则令v＝2；2)故障模式消减方案决策方法上述信息表形式化地表达为四元组M＝(U，At，{V_a|a∈At}，{I_a|a∈At})；其中，U＝{f_i1，f_i2，…，f_in}是有限非空对象的集合，在此表示可消减的故障模式集；At＝{P_R、P_S、P_M、P_T、P_LS}是有限非空属性集合；V_a表示属性a∈At的取值范围，即a的值域；I_a：U-＞V_a是一个信息函数，如果则I_A(f)表示U中对象f在属性A上的属性值；下面采用由原子公式组成的决策逻辑语言ζ来定义复合公式φ，用于描述U中的对象；φ＝(P_R≥0.8)∩(P_M≥0.8)∩(P_LS≥0.95)    (11)φ＝(P_S≥0.99)∩((P_R≥0.9)∪(P_M≥0.7))    (12)定义集合m(φ)＝{φ(f)|f∈U}表示信息表中对象集合的子集，即具备公式φ的性质的对象的全体；则该信息表M的可定义集合全体表示为：Def(U，ζ(A))＝{m(φ)|φ∈ζ(A)}    (13)显然，如果两个对象f_ik和f_il是等价的，那么在语言ζ(A)中则由相同的公式描述；因此，(13)式确定的可定义集即属性集合A上的等价关系E(A)在U上产生的划分，记为U/E(A)＝{[f]_E(A)|f∈U}，[f]_E(A)是由关系E(A)确定的等价类，在此即表示具有相同消减效益的故障模式集；基于上述过程，根据目标满足率约束对可消减故障模式集合进行划分，从中选择消减效益最大的故障模式子集进行消减，提高研制成效；步骤三：实施故障模式消减首先针对产品类型及其技术状态，选择相应的基于逻辑决断的故障模式闭合方法，并对其进行裁剪，制定适用的逻辑决断模型；然后对于故障模式消减方案中的故障模式，按照方案中规定的次序，运用逻辑决断过程逐一对其进行消减；这里给定的基于逻辑决断的故障模式消减闭合方法覆盖功能故障模式、硬件故障模式、软件故障模式、战场损伤模式以及工艺故障模式，其具体实现过程如下：1)基于逻辑决断的功能故障模式消减方法产品功能危险分析FHA是功能FMECA工作的输入，针对FHA确定的每一种故障状态开展功能FMECA，确定可能存在的潜在功能故障模式，然后，针对每一功能故障模式，基于逻辑决断模型逐一回答以下问题：a)功能是否完备答案若为是，则输出；若为否，则需要补充或调整功能设计，并重新开展功能危险分析FHA和功能FMECA工作；b)故障影响是否包含在FHA的故障状态中答案若为是，则继续回答第二问“安全保证措施是否相应设计”；若为否，则反馈到FHA，重新展开分析；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪安全保证措施设计情况，确保其落实；2)基于逻辑决断的硬件故障模式消减方法针对方案中确定的每一硬件故障模式，基于逻辑决断模型逐一回答以下问题：a)是否有设计改进措施答案若为是，则继续回答第二问“改进措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪改进措施设计进展情况，确保落实，并将结果反馈到产品设计过程；b)是否需要BIT/ATE/PHM进行故障检测或预测答案若为是，则继续回答第二问“BIT/ATE/PHM设计方案是否已落实”；若为否，则采取人工检测方式并输出；第二问的答案若为是，则可以进一步查看相关的设计方案，同时落实测试性设计情况，并将设计结果反馈到产品设计，完善硬件FMECA工作；若为否，则需要继续跟踪BIT/ATE/PHM设计方案制定情况，确保落实；c)是否有使用补偿措施答案若为是，则需要制定相应的预防性维修方案，并为保障资源需求预测提供输入；若为否，则输出；d)若故障无法消除，而在使用过程中可能发生，其对应维修保障资源是否已配套设计答案若为是，则进一步落实维修保障资源需求预测工作，此时预测以平时为主，并形成保障性分析记录和初始保障方案；若为否，则跟踪配套维修保障资源设计工作进展情况，确保落实；e)若故障发生，是否影响安全答案若为是，则继续回答第二问“安全保证措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则进一步跟踪安全保证措施的设计情况，确保落实，并将设计结果反馈到产品设计中；3)基于逻辑决断的软件故障模式消减方法针对方案中确定的每一软件故障模式，基于逻辑决断模型逐一回答以下问题：a)是否有软件设计改进措施答案若为是，则继续回答第二问“改进措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪改进措施设计进展情况，确保落实，并将结果反馈到产品嵌入式软件设计过程；b)是否有使用补偿措施答案若为是，则继续回答第二问“使用补偿措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪使用补偿措施的设计进展情况，确保落实，并将结果反馈到产品嵌入式软件设计过程；c)关联硬件的故障检测手段是否能检测到该故障模式答案若为是，则制定软硬件综合测试方案，并落实到产品设计方案中；若为否，则输出；d)软件测试用例是否覆盖该故障模式答案若为是，则输出；若为否，则应根据该故障模式重新设计软件可靠性测试用例，并修改可靠性测试方案；e)若故障发生，是否影响安全答案若为是，则继续回答第二问“安全保证措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则进一步跟踪安全保证措施的设计情况，确保落实，并将设计结果反馈到产品设计中；4)基于逻辑决断的战场损伤模式消减方法针对方案中确定的每一战场损伤模式，基于逻辑决断模型逐一回答以下问题：a)是否有需要设计改进答案若为是，则继续回答第二问“改进措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪改进措施设计进展情况，确保落实，并将结果反馈到产品设计；b)若发生故障，在战场能否进行快速维修答案若为是，则继续回答第二问“配套手段是否同步设计”；若为否，则优化维修性设计，尽可能实现战场快速维修；第二问答案若为是，则进一步开展战场维修保障资源设计，并进行资源需求预测，此时以战时为主；若为否，则进一步制定配套手段的同步设计方案，并转入资源设计；5)基于逻辑决断的工艺故障模式消减方法针对方案中确定的每一工艺故障模式，基于逻辑决断模型逐一回答以下问题：a)是否有需要工艺改进答案若为是，则继续回答第二问“改进措施是否已落实”；若为否，则输出；第二问的答案若为是，则输出；若为否，则跟踪工艺改进措施设计进展情况，确保落实，并将结果反馈到产品设计；b)针对工艺公差配合问题，是否有配套的过程监督与控制手段答案若为是，则执行过程监控方案；若为否，则开始设计配套监控手段，最终形成过程监控方案；不断地在产品设计过程中，循环迭代上述三个步骤，不断优化产品设计，进而在较短研制时间内实现系统规定的RMS指标；步骤四：实施有效性验证在故障模式消减措施给定之后，设计人员首先需通过原理分析或仿真分析手段检查措施及方案的合理性，并通过可靠性试验手段初步验证措施的有效性；其次，还要通过使用阶段的不断使用对措施有效性及方案合理性进行最后的验证，并将设计改进经验再利用，以指导新产品设计。