[發明專利]一種基于邏輯決斷的故障模式消減閉合方法

有效

• 申請號: 201210077497.8
• 申請日: 2012-03-22
• 公開（公告）號: CN102663542A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 楊德真;任羿;王自力;劉林林
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于邏輯決斷的故障模式消減閉合方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：開展FMECA分析

根據當前產品技術狀態，選擇適合的故障模式影響及危害性分析方法，制定相應的表格，分析產品各組成部分的潛在故障模式及其故障原因、故障影響，并進一步根據嚴酷度等級、故障模式危害度或風險優先數標準將所有故障模式分析記錄進行分類，如分為I、II類故障模式集和III、IV類故障模式集；

表1硬件故障模式影響及危害性分析表

步驟二：確定故障模式消減方案

針對已歸類的特定故障模式集合中的每一條故障模式記錄，分析該故障模式消減后對RMS指標的影響，然后基于計算得到的RMS指標，結合RMS指標的目標值，運用粗糙集理論確定故障模式消減次序方案；其具體實現過程如下：

第1步：計算故障模式消減對RMS指標的影響

在分析故障模式消減對RMS指標的影響時，首先給出如下假設條件：1)故障模式消減措施都是合理有效的；2)各類故障模式相互獨立；3)消減過程中沒有引入新的故障模式；4)故障邏輯關系是單調的；

1)計算對可靠性指標的影響模型

針對不同產品類型，所使用的可靠性指標可能不同，在不影響說明故障模式消減對可靠性指標影響的情況下，在此選用產品設計過程中最常用的可靠性指標：平均故障間隔時間即MTBF，加以說明；

設產品i的I、II類故障模式集合為{f_i1，f_i2，…，f_in}，n為I、II類故障模式總數，已消減的I、II類故障模式集合為不妨記前m1個故障模式被完全消除，其余m2＝m-m1個故障模式的頻數比α_ij得到了降低，記降低后的頻數比為α′_ij(j＝tm1+1，tm1+2，…，tm)，當{f_it1，f_it2，…，f_itm}＝φ時，表示無故障模式被消減；

因此，經過一輪的故障模式消減后，產品i的MTBF_i變為其表達式如下：

MTBFi*=MTBFi×11-Σj=1m1αij-Σj=m1+1m(αij-αij′)0≤m≤n∞m=n---(1)]]>

易見，隨著消減數量m的增大，和不變或增大，也隨之增大；如果產品i的失效分布類型為指數分布，則其故障率和可靠度表示為

λi*=1/MTBFi*---(2)]]>

Ri*=e-λi*t---(3)]]>

2)計算對安全性指標的影響模型

同理，在此以產品設計過程中最常用的安全性指標：事故率(P_A)，加以說明；

假設產品i可能造成安全性事故的故障模式集合為當{f_iI1，f_iI2，…，f_iIh}＝φ時，表示無災難性或致命性故障模式；再設，前r1(0≤r1≤h)個可能造成安全性事故的故障模式已消除，后r2＝h-r1個可能造成安全性事故的故障模式頻數比α_ij得到降低，記為α′_ij；經過一輪消減后，產品i的P_A變為其表達式如下：

PA*=nTΣj=r1+1hαij′NT---(4)]]>

式中，N_T表示產品i的壽命單位總數，即產品總使用持續期的度量，如工作小時、飛行小時、工作循環次數；n_T表示N_T時間范圍內發生的故障總數；

3)計算對維修性指標的影響模型

維修性指標的計算與修理級別或產品層次有關，對可更換單元RU或單元級產品，其維修活動主要為更換維修，因而維修性指標主要取決于維修可達性；從故障模式消減角度，認為其維修性指標保持不變；而對系統級產品，其維修性指標主要由子級設備或RU的可靠性指標及維修性指標共同決定，因此，下面僅分析系統級產品維修性指標隨故障模式消減的影響模型；

同上，選擇維修性指標：平均修復時間即MTTR，加以說明；

設產品D是由產品i{i＝1，2，…，P}構成的，其失效分布類型為指數分布；首先對λ_iMTTR_i{i＝1，2，…，P}從小到大進行排序，根據工程實際，應先消減λ_iMTTR_i較大的產品的關鍵故障模式，以此為基準，假設有K個產品經過了故障模式消減，那么經過一輪故障模式消減后，產品D的MTTR_D的變為其表達式如下：

MTTRD*=Σi=1Kλi*MTTRi+Σi=K+1PλiMTTRiΣi=1Kλi*+Σi=K+1Pλi---(5)]]>

4)計算對測試性指標的影響模型

下面選擇故障檢測率即r_FD，加以說明；

在實際工程中，一般會優先消除無法或難以檢測的故障模式，如果無法消除，則會優化檢測手段，提高被檢測到的概率；設產品i可檢測到的故障模式集合為當{f_id1，f_id2，…，f_idp}＝φ時，表示任一故障模式均無法檢測到；再設，經過一輪消減后，有p1個無法檢測的故障模式得到消除，有p2個故障模式從無法檢測變為可檢測，其故障模式發生概率記為λ′_Dij(j＝1，2，…，p2)；那么，其故障檢測率則變為

rFD*=Σj=1pλDij+Σj=1p2λDij′λi*---(6)]]>

式中，λ_Dij表示產品i可檢測到的故障模式的發生概率；

5)計算對保障性指標的影響模型

保障性指標是一綜合指標，在此選擇使用可用度A_O加以說明：

設產品i的平均保障延誤時間為MLDT_i，由于MLDT_i由后勤管理延誤時間及備件的平均供應反應時間決定，認為其值不變，因此，經過一輪故障模式消減后，產品i的A_Oi變為其表達式如下：

AOi*=MTBFi*MTBFi*+MTTRi+MLDTi---(7)]]>

產品D的使用可用度A_O變為其表達式如下：

AO*=Πi=1nAOi*---(8)]]>

第2步：基于粗糙集的消減方案決策方法

1)構造信息表

結合粗糙集理論，首先構造一個產品i的I、II類故障模式消減的表達系統，即信息表M，如表2所示；

表2故障模式消減信息表

上表中，P_R、P_S、P_M、P_T、P_LS分別表示可靠性、安全性、維修性、測試性和保障性指標的目標滿足率；v_R1表示屬性值，即故障模式f_i1消減后可靠性指標的目標滿足率，其它類似符號依此類推；

下面給出各屬性值的計算公式：

●對于遞增型指標

v＝I^*/I^o????(9)

式中，I^*表示故障模式消減后對應的指標值；I^o表示對應指標的目標值；

一般情況下，I^*≤I^o，但也存在I^*＞I^o的可能，此時設計人員需注意，產品可能過設計；

●對于遞減型指標

v＝2-I^*/I^o????(10)

此時要求I^*≤2I^o，如果I^*＞2I^o，則令v＝2；

2)故障模式消減方案決策方法

上述信息表形式化地表達為四元組M＝(U，At，{V_a|a∈At}，{I_a|a∈At})；其中，U＝{f_i1，f_i2，…，f_in}是有限非空對象的集合，在此表示可消減的故障模式集；At＝{P_R、P_S、P_M、P_T、P_LS}是有限非空屬性集合；V_a表示屬性a∈At的取值范圍，即a的值域；I_a：U-＞V_a是一個信息函數，如果則I_A(f)表示U中對象f在屬性A上的屬性值；

下面采用由原子公式組成的決策邏輯語言ζ來定義復合公式φ，用于描述U中的對象；

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)

定義集合m(φ)＝{φ(f)|f∈U}表示信息表中對象集合的子集，即具備公式φ的性質的對象的全體；

則該信息表M的可定義集合全體表示為：

Def(U，ζ(A))＝{m(φ)|φ∈ζ(A)}????(13)

顯然，如果兩個對象f_ik和f_il是等價的，那么在語言ζ(A)中則由相同的公式描述；因此，(13)式確定的可定義集即屬性集合A上的等價關系E(A)在U上產生的劃分，記為U/E(A)＝{[f]_E(A)|f∈U}，[f]_E(A)是由關系E(A)確定的等價類，在此即表示具有相同消減效益的故障模式集；

基于上述過程，根據目標滿足率約束對可消減故障模式集合進行劃分，從中選擇消減效益最大的故障模式子集進行消減，提高研制成效；

步驟三：實施故障模式消減

首先針對產品類型及其技術狀態，選擇相應的基于邏輯決斷的故障模式閉合方法，并對其進行裁剪，制定適用的邏輯決斷模型；然后對于故障模式消減方案中的故障模式，按照方案中規定的次序，運用邏輯決斷過程逐一對其進行消減；這里給定的基于邏輯決斷的故障模式消減閉合方法覆蓋功能故障模式、硬件故障模式、軟件故障模式、戰場損傷模式以及工藝故障模式，其具體實現過程如下：

1)基于邏輯決斷的功能故障模式消減方法

產品功能危險分析FHA是功能FMECA工作的輸入，針對FHA確定的每一種故障狀態開展功能FMECA，確定可能存在的潛在功能故障模式，然后，針對每一功能故障模式，基于邏輯決斷模型逐一回答以下問題：

a)功能是否完備？

答案若為是，則輸出；若為否，則需要補充或調整功能設計，并重新開展功能危險分析FHA和功能FMECA工作；

b)故障影響是否包含在FHA的故障狀態中？

答案若為是，則繼續回答第二問“安全保證措施是否相應設計”？；若為否，則反饋到FHA，重新展開分析；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤安全保證措施設計情況，確保其落實；

2)基于邏輯決斷的硬件故障模式消減方法

針對方案中確定的每一硬件故障模式，基于邏輯決斷模型逐一回答以下問題：

a)是否有設計改進措施？

答案若為是，則繼續回答第二問“改進措施是否已落實？”；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤改進措施設計進展情況，確保落實，并將結果反饋到產品設計過程；

b)是否需要BIT/ATE/PHM進行故障檢測或預測？

答案若為是，則繼續回答第二問“BIT/ATE/PHM設計方案是否已落實？”；若為否，則采取人工檢測方式并輸出；第二問的答案若為是，則可以進一步查看相關的設計方案，同時落實測試性設計情況，并將設計結果反饋到產品設計，完善硬件FMECA工作；若為否，則需要繼續跟蹤BIT/ATE/PHM設計方案制定情況，確保落實；

c)是否有使用補償措施？

答案若為是，則需要制定相應的預防性維修方案，并為保障資源需求預測提供輸入；若為否，則輸出；

d)若故障無法消除，而在使用過程中可能發生，其對應維修保障資源是否已配套設計？

答案若為是，則進一步落實維修保障資源需求預測工作，此時預測以平時為主，并形成保障性分析記錄和初始保障方案；若為否，則跟蹤配套維修保障資源設計工作進展情況，確保落實；

e)若故障發生，是否影響安全？

答案若為是，則繼續回答第二問“安全保證措施是否已落實”？；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則進一步跟蹤安全保證措施的設計情況，確保落實，并將設計結果反饋到產品設計中；

3)基于邏輯決斷的軟件故障模式消減方法

針對方案中確定的每一軟件故障模式，基于邏輯決斷模型逐一回答以下問題：

a)是否有軟件設計改進措施？

答案若為是，則繼續回答第二問“改進措施是否已落實？”；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤改進措施設計進展情況，確保落實，并將結果反饋到產品嵌入式軟件設計過程；

b)是否有使用補償措施？

答案若為是，則繼續回答第二問“使用補償措施是否已落實？”；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤使用補償措施的設計進展情況，確保落實，并將結果反饋到產品嵌入式軟件設計過程；

c)關聯硬件的故障檢測手段是否能檢測到該故障模式？

答案若為是，則制定軟硬件綜合測試方案，并落實到產品設計方案中；若為否，則輸出；

d)軟件測試用例是否覆蓋該故障模式？

答案若為是，則輸出；若為否，則應根據該故障模式重新設計軟件可靠性測試用例，并修改可靠性測試方案；

e)若故障發生，是否影響安全？

答案若為是，則繼續回答第二問“安全保證措施是否已落實”？；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則進一步跟蹤安全保證措施的設計情況，確保落實，并將設計結果反饋到產品設計中；

4)基于邏輯決斷的戰場損傷模式消減方法

針對方案中確定的每一戰場損傷模式，基于邏輯決斷模型逐一回答以下問題：

a)是否有需要設計改進？

答案若為是，則繼續回答第二問“改進措施是否已落實？”；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤改進措施設計進展情況，確保落實，并將結果反饋到產品設計；

b)若發生故障，在戰場能否進行快速維修？

答案若為是，則繼續回答第二問“配套手段是否同步設計？”；若為否，則優化維修性設計，盡可能實現戰場快速維修；第二問答案若為是，則進一步開展戰場維修保障資源設計，并進行資源需求預測，此時以戰時為主；若為否，則進一步制定配套手段的同步設計方案，并轉入資源設計；

5)基于邏輯決斷的工藝故障模式消減方法

針對方案中確定的每一工藝故障模式，基于邏輯決斷模型逐一回答以下問題：

a)是否有需要工藝改進？

答案若為是，則繼續回答第二問“改進措施是否已落實？”；若為否，則輸出；第二問的答案若為是，則輸出；若為否，則跟蹤工藝改進措施設計進展情況，確保落實，并將結果反饋到產品設計；

b)針對工藝公差配合問題，是否有配套的過程監督與控制手段？

答案若為是，則執行過程監控方案；若為否，則開始設計配套監控手段，最終形成過程監控方案；

不斷地在產品設計過程中，循環迭代上述三個步驟，不斷優化產品設計，進而在較短研制時間內實現系統規定的RMS指標；

步驟四：實施有效性驗證

在故障模式消減措施給定之后，設計人員首先需通過原理分析或仿真分析手段檢查措施及方案的合理性，并通過可靠性試驗手段初步驗證措施的有效性；其次，還要通過使用階段的不斷使用對措施有效性及方案合理性進行最后的驗證，并將設計改進經驗再利用，以指導新產品設計。