一種組件化系統設計的故障模式與影響分析方法與流程
2023-05-18 16:26:51 1
本發明屬於電子技術領域，更進一步涉及組件化電子產品系統設計技術領域中的一種組件化系統設計的故障模式與影響分析方法。本發明適用於在組件化電子產品系統開發早期時，對組件化電子產品系統設計進行可靠性分析。
背景技術：
隨著各種電子產品系統被廣泛應用到人們工作生活的各個領域，人們對電子產品系統的可靠性要求越來越高，因此電子產品系統的可靠性研究已成為電子技術領域發展的新方向。可靠性是電子產品系統的一種內在屬性，是指電子產品系統在規定任務和條件下，正確執行其要求任務的關鍵功能的能力。電子科技大學擁有的專利技術「具有失效相關模式系統的動態故障樹分析方法」(申請號：201110457659.6，授權公告號：CN102542166B)中公開了一種具有失效相關模式系統的動態故障樹分析方法。該發明提出了失效相關模式和失效相關門，並通過失效相關門建立系統的動態故障樹模型，求解系統的動態故障樹模型，得到系統可靠度，克服了現有動態故障樹分析無法對失效相關模式進行定量分析的缺陷。但是，該專利技術仍然存在的不足是，在對組件化系統進行分析時，一旦出現組件的增加或刪除，需要重新建立系統的動態故障樹模型，無法重用之前的工作成果，浪費人力物力。西北工業大學擁有的專利技術「一種嵌入式系統可靠性分析與評估方法」(申請號：201010221813.5，授權公告號：CN101901186B)中公開了一種嵌入式系統可靠性分析方法。該發明利用現有的GSPN可靠性評估方法，對由ADDL可靠性模型轉化成的廣義隨機Petri網可靠性模型進行量化分析，得到系統的可靠性。但是，該專利技術存在的不足是，無法識別系統設計模型中的薄弱環節，無法為制定改進控制措施提供依據。北京航空航天大學所申請的專利「基於層次依賴建模的軟體FMEA方法」(申請號：201310378809.3，申請公開號：CN103473400A)中公開了一種基於層次依賴建模的軟體FMEA方法。該方法通過構建系統級層次依賴模型，由系統級層次依賴模型可達性節點分析，得到失效影響傳播和失效原因追蹤路徑，確定失效原因和失效影響；然後根據系統級FMEA結果選取詳細級FMEA分析對象，並以所選分析對象的詳細設計或偽代碼為依據，構建詳細級層次依賴模型；最後根據詳細級層次依賴模型，選取要分析的關鍵變量，確定待分析變量的具體失效模式，由詳細級別依賴模型可達性節點分析，得到變量的產生原因及失效影響，提出改進措施。但是，該專利申請仍然存在的不足是，在分析過程中，雖然考慮了分系統其他模塊對分析模塊的影響，但是沒有反映出影響強度，可能得出有誤差的分析結果。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述已有技術的不足，提供一種組件化系統設計的故障模式與影響分析方法，以適應用戶在對組件化系統設計的可靠性進行精確分析時能夠功能裁剪或增加功能組件和識別系統設計薄弱環節的需求，提高了分析靈活性，降低了分析成本。本發明的具體思路是：通過構建分層的分析模型圖，獲得分析模型矩陣，生成故障模式修正向量，修正原始故障模式排名，從而實現對組件化系統設計可靠性的動態分析和精確分析。為實現上述目的，本發明提供的一種組件化系統設計的故障模式與影響分析方法，包括如下步驟：(1)描述系統故障模式：用戶根據組件化系統的功能和要求，從組件化系統設計中提取潛在故障模式與影響分析表和故障模式間相互影響描述表所要求的信息；所述信息包括故障模式類型，故障原因，故障後果，故障風險因素；所述故障風險因素包括故障嚴重度，故障發生概率和故障可檢測概率；(2)確定故障風險因素的評判等級：採用故障風險因素評判等級方法，確定故障風險因素的評判等級；(3)獲得原始故障模式風險排名：採用原始故障模式風險排名生成方法，獲得原始故障模式風險排名；(4)構建組件級分析模型圖：(4a)創建一個空白圖，在空白圖中，用節點分別表示組件化系統中的各個組件，得到只含節點的圖；在只含節點的圖中，用表示組件化系統中各個組件之間的功能關係的連線連接各個節點，連線的方向表示提供功能的組件對應的節點到接收功能的組件對應的節點，得到系統級分析模型圖；(4b)針對系統級分析模型圖中的每個節點，分別創建一個空白圖，在空白圖中，用節點分別表示節點對應組件中的各個故障模式，得到只含節點的圖；在只含節點的圖中，用表示故障模式間影響關係的連線連接各個節點，連線的方向為影響方向，得到單組件分析模型圖；在單組件分析模型圖中，用節點分別表示組件化系統中除本組件外的其他組件，得到多組件分析模型圖；在多組件分析模型圖中，用表示組件化系統中除本組件以外的其他組件對本組件內故障模式的影響關係的連線連接各個節點，連線方向為影響方向，得到組件級分析模型圖；(5)生成分析模型矩陣：將組件級分析模型圖中節點間的連線所對應的值作為分析模型矩陣的元素，得到包含組件內故障模式影響矩陣和組件間故障模式影響矩陣的分析模型矩陣；(6)生成故障模式修正向量：(6a)按照下式，計算組件化系統的組件內故障模式影響度；其中，as表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的整體影響度，k表示組件化系統的第j個組件的故障模式個數，∑表示求和操作，ai,s表示組件化系統的第j個組件的故障模式i對組件化系統的第j個組件的故障模式s的影響度，1≤s≤k；(6b)按照下式，計算組件化系統的組件內故障模式影響向量；其中，表示組件化系統的第j個組件的組件內故障模式影響向量，ak表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度，k表示組件化系統的第j個組件的故障模式個數；(6c)按照下式，計算組件化系統的組件外故障模式影響度；其中，es表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的整體影響度，m表示組件化系統的組件個數，∑表示求和操作；ei,s表示組件化系統的第i個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的總體影響度，i≠j，1≤s≤k，k表示組件化系統中第j個組件的故障模式個數；(6d)按照下式，計算組件化系統的組件外故障模式影響向量；其中，表示組件化系統的第j個組件的組件外故障模式影響向量，ek表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度；(6e)按照下式，求組件化系統的組件的故障模式影響向量：EVj＝(ev1,ev2,…,evk)＝(w1a1+w2e1,w1a2+w2e2,…,w1ak+w2ek)其中，EVj表示組件化系統的第j個組件的故障模式影響向量；evk表示組件化系統中所有故障模式對故障模式k的影響因子；w1，w2分別表示組件內故障模式影響向量的合併權值和組件外故障模式影響向量的合併權值，滿足w1+w2＝1；ak表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度，ek表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度；(6f)按照下式，計算故障模式修正向量：其中，EV表示故障模式修正向量，∪表示合併操作，EVj表示組件化系統的第j個組件的故障模式影響向量，m表示組件化系統的組件個數；(7)生成組件化系統故障模式風險排名：(7a)採用修正方法，用故障模式修正向量修正步驟(3)的原始故障模式風險排名，得到組件化系統故障模式風險排名；(7b)在組件化系統故障模式風險排名中找出排名最靠前的故障模式，分析其故障原因和故障後果，制定改進措施。本發明與現有技術相比具有如下優點：第一，由於本發明通過構建分層分析模型圖，實現了在對組件化系統設計進行分析的過程中對組件的靈活綁定，克服了現有技術在對組件化系統進行分析時，一旦出現組件的增加或刪除，需要重新建立系統的動態故障樹模型，無法重用之前的工作成果，浪費人力物力的缺點，使得本發明具有滿足用戶動態分析組件化系統的需求，大大降低了分析成本的優點。第二，由於本發明通過生成故障模式修正向量，實現了對用傳統故障模式與影響分析方法所得的故障模式風險排名的修正，克服了現有技術在分析組件化系統設計過程中，未考慮由系統結構造成的故障模式間的相互影響的缺點，使得本發明能夠反映系統潛在故障模式的真實情況，提高了分析系統設計風險的精確性。第三，由於本發明通過生成系統故障模式風險排名，實現了對系統設計中風險較高的故障模式的識別，克服了現有技術無法識別系統設計中薄弱環節的缺點，使得本發明能夠為風險較高的故障模式提供改進的依據。附圖說明圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明的系統級分析模型圖的簡化圖；圖3為本發明的組件級分析模型圖的簡化圖；具體實施方式下面結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。參照附圖1，本發明提供的一種組件化系統設計的故障模式與影響分析方法，包括如下步驟：步驟1，描述系統故障模式。故障模式是指系統發生故障時的現象描述；由於受現場條件的限制，觀察到或測量到的故障現象可能是系統的，如發動機不能起動；也可能是某一部件，如傳動箱有異常響；也可能就是某一具體的零件，如履帶析斷裂、油管破裂等。用戶根據系統的功能和要求，從組件化系統設計中提取潛在故障模式與影響分析表和故障模式間相互影響描述表所要求的信息；所述信息包括故障模式類型，故障原因，故障後果，故障風險因素；所述故障風險因素包括故障嚴重度，故障發生概率和故障可檢測概率。所述潛在故障模式與影響分析表的表頭如表1所示。表1潛在故障模式與影響分析表表頭所述故障模式間相互影響描述表的表頭如表2所示。表2故障模式相互影響描述表表頭步驟2，確定故障風險因素的評判等級。採用故障風險因素評判等級方法，確定故障風險因素的評判等級；所述故障風險因素的評判等級方法的步驟如下：第一步，按照下式，確定故障風險因素的評判等級；其中，μ(x)表示故障風險因素評判值x在區間[a,c]的概率分布，x表示故障風險因素的評判值，a、b、c表示故障風險因素三元組評判等級的組成因素，a、b、c分別在區間[0,10]內取值，其取值的大小必須滿足b-a＝c-b的條件；第二步，在區間[0,10]內劃分n個與故障風險因素的評判等級對應的三元組評判等級，所述n個三元組評判等級必須滿足ai≠aj，bi≠bj，ci≠cj，1≤i≤n，1≤j≤n，ai、bi、ci表示第i個故障風險因素三元組評判等級的組成因素，aj、bj、cj表示第j個故障風險因素三元組評判等級的組成因素，n表示用戶確定的故障風險因素的範圍。若故障風險因素的範圍較大，取n＝10；若故障風險因素的範圍較小，取n＝5，其他情況由用戶酌情給定n的值。表3給出了n＝5時的故障風險因素三元組評判等級。表3故障風險因素三元組評判等級故障風險因素的評判等級三角模糊數表示VH{8,9,10}H{6,7,8}M{4,5,6}L{2,3,4}VL{0,1,2}關於三元組的代數運算如下：加法運算：{a1,b1,c1}+{a2,b2,c2}＝{a1+a2,b1+b2,c1+c2}；減法運算：{a1,b1,c1}-{a2,b2,c2}＝{a1-a2,b1-b2,c1-c2}；乘法運算：{a1,b1,c1}×{a2,b2,c2}＝{a1a2,b1b2,c1c2}；k×{a1,b1,c1}＝{ka1,kb1,kc1}；除法運算：{a1,b1,c1}÷{a2,b2,c2}＝{a1/a2,b1/b2,c1/c2}；步驟3，獲得原始故障模式風險排名。採用原始故障模式風險排名生成方法，獲得原始故障模式風險排名；所述原始故障模式風險排名生成方法的步驟如下：第一步，按照下式，計算故障風險優先值：其中，表示第i個故障模式的故障風險優先值三元組評判等級的組成因素；分別表示第i個故障模式的故障發生概率O，故障嚴重度S和可檢測概率D；若有t個用戶對同一故障風險因素做出評判，則按照下式，綜合這n個用戶的評判意見：其中，分別表示第j個用戶提供的關於第i個故障模式的故障發生概率O，故障嚴重度S和可檢測概率D；hj(j＝1,2,...,m)表示第t個用戶的權重，並且滿足：第二步，按照下式，獲得去模糊化故障模式風險值：其中，表示第i個故障模式的故障模式風險值，表示第i個故障模式的故障風險優先值三元組評判等級的組成因素；第三步，將故障模式的故障模式風險值按從大到小的順序進行排序，獲得原始故障模式風險排名。步驟4，構建組件級分析模型圖。創建一個空白圖，在空白圖中，用節點分別表示組件化系統中的各個組件，得到只含節點的圖；在只含節點的圖中，用表示組件化系統中各個組件之間的功能關係的連線連接各個節點，連線的方向表示提供功能的組件對應的節點到接收功能的組件對應的節點，得到系統級分析模型圖，如圖2所示，其中Ci,Cj,Ck分別表示組件化系統的組件i、組件j、組件k，Eij表示組件化系統的組件i對組件j的影響度。針對系統級分析模型圖中的每個節點，分別創建一個空白圖，在空白圖中，用節點分別表示節點對應組件中的各個故障模式，得到只含節點的圖；在只含節點的圖中，用表示故障模式間影響關係的連線連接各個節點，連線的方向為影響方向，得到單組件分析模型圖；在單組件分析模型圖中，用節點分別表示組件化系統中除本組件外的其他組件，得到多組件分析模型圖；在多組件分析模型圖中，用表示組件化系統中除本組件以外的其他組件對本組件內故障模式的影響關係的連線連接各個節點，連線方向為影響方向，得到組件級分析模型圖，如圖3所示；其中，Cm表示組件化系統的組件m，em,k表示組件化系統的組件m對故障模式k的影響度，表示組件化系統的組件j的第k個故障模式，ai,k表示故障模式i對故障模式k的影響度。在對組件化系統設計進行可靠性分析的過程中，若出現了增加或刪除組件化系統的組件的情況，只需在系統級分析模型圖中增加表示該組件的節點和組件間功能關係的連線，或刪除組件對應的節點及相應連線，從而實現對組件化系統設計可靠性的動態分析。步驟5，生成分析模型矩陣。將組件級分析模型圖中節點間的連線所對應的值作為分析模型矩陣的元素，得到包含組件內故障模式影響矩陣和組件間故障模式影響矩陣的分析模型矩陣；其中，矩陣表示組件化系統的第j個組件的組件內故障模式影響矩陣，矩陣表示組件化系統的第j個組件的組件間故障模式影響矩陣；Ii表示組件化系統的第j個組件的故障模式i對自身的影響度；ai,k表示組件化系統的第j個組件的故障模式i對組件化系統的第j個組件的故障模式k的影響度，對應圖3中的ai,k，em,k表示組件化系統的第m個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的總體影響度，對應圖3中的em,k；故障模式間相互影響的影響度用表4所示的三元組表示。表4故障模式間相互影響的影響度的三元組表示影響度三元組表示VH{0.75,1,1}H{0.5,0.75,1}M{0.25,0.5,0.75}L{0,0.25,0.50}VL{0,0,0.25}步驟6，生成故障模式修正向量。按照下式，計算組件化系統的組件內故障模式影響度；其中，as表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的整體影響度，k表示組件化系統的第j個組件的故障模式個數，∑表示求和操作，ai,s表示組件化系統的第j個組件的故障模式i對組件化系統的第j個組件的故障模式s的影響度，1≤s≤k。按照下式，計算組件化系統的組件內故障模式影響向量；其中，表示組件化系統的第j個組件的組件內故障模式影響向量，ak表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度，k表示組件化系統的第j個組件的故障模式個數。按照下式，計算組件化系統的組件外故障模式影響度；其中，es表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的整體影響度，m表示組件化系統的組件個數，∑表示求和操作；ei,s表示組件化系統的第i個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式s的總體影響度，i≠j，1≤s≤k，k表示組件化系統中第j個組件的故障模式個數。按照下式，計算組件化系統的組件外故障模式影響向量；其中，表示組件化系統的第j個組件的組件外故障模式影響向量，ek表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度。按照下式，求組件化系統的組件的故障模式影響向量：EVj＝(ev1,ev2,…,evk)＝(w1a1+w2e1,w1a2+w2e2,…,w1ak+w2ek)其中，EVj表示組件化系統的第j個組件的故障模式影響向量；evk表示組件化系統中所有故障模式對故障模式k的影響因子；w1，w2分別表示組件內故障模式影響向量的合併權值和組件外故障模式影響向量的合併權值，滿足w1+w2＝1；ak表示組件化系統的第j個組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度，ek表示組件化系統中除第j個組件之外的組件的所有故障模式對組件化系統的第j個組件的故障模式k的整體影響度。按照下式，計算故障模式修正向量：其中，EV表示故障模式修正向量，∪表示合併操作，EVj表示組件化系統的第j個組件的故障模式影響向量，m表示組件化系統的組件個數。步驟7，生成組件化系統故障模式風險排名。採用修正方法，用故障模式修正向量修正步驟3的原始故障模式風險排名，得到組件化系統故障模式風險排名。所述的修正方法的步驟如下：第一步，按照下式，求故障模式的系統風險值；其中，表示第i個故障模式的系統風險值；evi表示系統中其他故障模式對故障模式i的影響度，表示第i個故障模式的系統風險值；第二步，將故障模式的系統風險值按從大到小的順序進行排序，得到系統故障模式風險排名。在組件化系統故障模式風險排名中找出排名最靠前的故障模式，分析其故障原因和故障後果，制定改進措施。