系统可靠性模型建立课件

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1、可靠性设计,II.系统可靠性模型建立,高嵩,2020/9/14,可靠性设计,1,内容提要-1,1. 可靠性模型概述 1.1 术语及定义 1.2 基本可靠性模型任务可靠性模型 1.3 建模的程序 2. 系统功能分析 3. 典型的可靠性模型,2020/9/14,可靠性设计,2,内容提要-2,4. 不可修系统可靠性模型 4.1 虚单元 4.2 不含桥联的复杂系统任务可靠性模型 4.3 含桥联的复杂系统任务可靠性模型 5. 建模实例：某卫星过渡轨道、同步及准同步轨道任务可靠性 6. 系统任务可靠性建模的注意事项,1. 可靠性模型概述,2020/9/14,可靠性设计,4,系统、单元和产品,系统 系统是由

2、相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。 “系统”、“单元” 相对概念可以是按产品层次划分：零部件、组件、设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层 “系统”包含“单元”，其层次高于“单元” 产品可以指任何层次，也可视为系统或单元。,2020/9/14,可靠性设计,5,描述系统的模型,原理图 反映了系统及其组成单元之间的物理上的连接与组合关系。 功能框图、功能流程图 反映了系统及其组成单元之间的功能关系。 系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可靠性模型的基础。 可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系。,2020/9/14,可靠性设计,6,可靠性模型概念,建

3、立系统可靠性模型的目的和用途在于定量分配、估算和评估系统的可靠性。 根据系统特点，有多种可靠性建模方法 : 可靠性框图 网络可靠性模型 故障树模型 事件树模型 马尔可夫模型 Petri网模型 GO图模型,2020/9/14,可靠性设计,7,可靠性模型概念,可靠性模型建立于系统可靠性（方）框图，即为预计或估算产品的可靠性所建立的可靠性方框图和数学模型，也称可靠性逻辑框图及其数学模型。 了解系统中各个部分(或单元)的功能和它们相互之间的联系以及对整个系统的作用和影响对建立系统的可靠性数学模型、完成系统的可靠性设计、分配和预测都具有重要意义。借助于可靠性框图可以精确地表示出各个功能单元在系统中的作用

4、和相互之间的关系。,2020/9/14,可靠性设计,8,可靠性框图,系统可靠性（方）框图(Reliability Block Diagrams，简写RBD） 方框：产品或功能 逻辑关系：功能布局 连线：系统功能流程的方向 无向的连线意味着是双向的。 节点（节点可以在需要时才加以标注） 输入节点：系统功能流程的起点 输出节点：系统功能流程的终点 中间节点,2020/9/14,可靠性设计,9,可靠性模型示例,可靠性框图 （收音机）,可靠性数学模型,2020/9/14,可靠性设计,10,RBD和原理图的关系,原理图表示系统中各部分之间的物理关系，而RBD表示系统中各部分之间的功能关系，即用简明扼要的

5、直观方法表现能使系统完成任务的各种串并旁联方框的组合。 虽然根据原理图也可以绘制出可靠性逻辑图，但并不能将它们二者等同起来。,2020/9/14,可靠性设计,11,RBD和原理图的关系,建立RBD时绝不能从结构和原理上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型。 下图所示的流体系统，从结构上看是由管道及其上安装的两个阀门串联组成。为确定系统类型，一定要分析系统的功能及其失效模式。,2个串联阀系统示意图,2020/9/14,可靠性设计,12,RBD和原理图的关系,第一种情况，若单元1，2功能是相互独立的，只有每个单元都实现自己的功能（开启），系统才能实现液体流通的功能，若其中有一个单元功能失效，则系

6、统功能就失效，液体就被截流。 第二种情况，单元1，2功能至少有一个功能正常，系统就能实现截流功能。只有当所有的单元功能都失效，系统功能才失效。,2020/9/14,可靠性设计,13,基本可靠性模型,基本可靠性模型 用以估计产品及其组成单元发生故障所引起的维修及保障要求的可靠性模型。 全串联模型，即使存在冗余单元，都按串联处理。故储备单元越多，系统的基本可靠性（无故障持续时间和概率）越低。 度量使用费用。任一单元发生故障，都会引起维修和保障要求。,2020/9/14,可靠性设计,14,任务可靠性模型,任务可靠性模型 用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率（在规定任务剖面中完成规定任务功能

7、的能力），描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种可靠性模型。 系统中储备单元越多，则其任务可靠性越高。 注意事项 模型描述的是各单元之间的可靠性逻辑关系。,2020/9/14,可靠性设计,15,基本可靠性模型任务可靠性模型,在进行设计时，根据要求同时建立基本可靠性及任务可靠性模型的目的在于，需要在人力、物力、费用和任务之间进行权衡。 设计者的责任就是要在不同的设计方案中利用基本可靠性及任务可靠性模型进行权衡，在一定的条件下得到最合理的设计方案。 为正确地建立系统的任务可靠性模型，必须对系统的构成、原理、功能、接口等各方面有深入的理解。,2020/9/14,可靠性设计,

8、16,F/A-18基本可靠性模型,2020/9/14,可靠性设计,17,F/A-18任务可靠性模型,2020/9/14,可靠性设计,18,可靠性逻辑关系,2020/9/14,可靠性设计,19,建立任务可靠性模型的步骤,2. 系统功能分析,2020/9/14,可靠性设计,21,系统功能分析,对系统的构成、原理、功能、接口等各方面深入的分析是建立正确的系统任务可靠性模型的前导。 前导工作的主要任务就是进行系统的功能分析 功能的分解与分类 功能框图与功能流程图 时间分析 任务定义及故障判据,2020/9/14,可靠性设计,22,功能的分解与分类,功能的分解 系统往往是多任务与多功能的。一个系统及功能

9、是由许多分系统级功能实现的。通过自上而下的功能分解过程，可以得到系统功能的层次结构。 功能的逐层分解可以细分到能够获得明确的技术要求的最低层次（如部件）为止。 进行系统功能分解可以使系统的功能层次更加清晰，同时也产生了许多低层次功能的接口问题。 对系统功能的层次性以及功能接口的分析，是建立可靠性模型的重要一步。,2020/9/14,可靠性设计,23,功能的分解,2020/9/14,可靠性设计,24,功能的分类,在系统功能分解的基础上，可以按照给定的任务，对系统的功能进行分类整理。,2020/9/14,可靠性设计,25,功能框图与功能流程图,用以描述在系统功能分解过程中的较低层次功能间的接口与关

10、联关系 。 功能框图 功能流程图 功能框图与功能流程图的逐级细化过程是与系统的功能分解相协调的。,2020/9/14,可靠性设计,26,某家用热水器原理图,原理图、功能层次图及功能框图,2020/9/14,可靠性设计,27,某空间飞行器整个飞行任务在最高层次以及下级层次中的功能流程,第一层 飞行任务,第二层 40执行任务操作,2020/9/14,可靠性设计,28,时间分析,功能框图静态（不随时间而变） 系统级的功能以及它们的子功能具有唯一的时间基准（所有功能的执行时间一样长） 复杂系统一般具有两方面的特点： 系统具有多功能，各功能的执行时机是有时序的，各功能的执行时间长短不一。 在系统工作的过

11、程中，系统的结构是可以随时间而变化的。,2020/9/14,可靠性设计,29,时间分析,系统的功能随时间而变的系统功能流程图 可以描述这类系统的功能关系，为建立系统可靠性框图模型奠定基础。 它的一个缺陷：没有对系统功能的持续时间及功能间的时间进行描述，缺少一个时间坐标。 时间特性是可靠性分析中不可缺少的一个要素。 需要进行时间分析 确定时间基准 通过与该时间基准对应，可以得到系统功能流程图中各功能的执行时间及功能间的时间。,2020/9/14,可靠性设计,30,某飞行任务的时间基准,2020/9/14,可靠性设计,31,任务定义及故障判据,在进行系统功能分解、建立功能框图或功能流程图及确立时间

12、基准的基础上，要建立系统的任务及基本可靠性框图，必须明确地给出系统的任务定义及故障判据，把它们作为系统可靠性定量分析计算的依据和判据。 产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称为故障。 对于具体的产品应结合产品的功能以及装备的性质与使用范畴，给出产品故障的判别标准，即故障判据。故障判据是判断产品是否构成故障的界限值，一般应根据产品规定性能参数和允许的极限来确定。,2020/9/14,可靠性设计,32,任务定义及故障判据,一般地，建立系统的基本可靠性模型时，任务定义为：系统在运行过程中不产生非计划的维修及保障需求。故障判据为：任何导致维修及保障需求的非人为事件，都是故障事件。

13、对于多任务、多功能的系统建立任务可靠性模型时，必须先明确所分析的任务是什么。对于任务的完成来说，涉及到系统的哪些功能，其中哪些功能是必要的，哪些功能是不必要的，以此而形成系统的故障判据。影响系统完成全部必要功能的所有软、硬件故障都计为故障事件。,3. 典型的可靠性模型,2020/9/14,可靠性设计,34,典型可靠性模型分类,典型的可靠性模型分为有贮备与无贮备两种，有贮备可靠性模型按贮备单元是否与工作单元同时工作而分为工作贮备模型与非工作贮备模型。,2020/9/14,可靠性设计,35,建模前的假设,系统及其组成单元只有故障与正常两种状态，不存在第三种状态； 用框图中一个方框表示的单元或功能发

14、生故障就会造成整个系统的故障（有替代工作方式的除外）； 就故障概率来说，用不同方框表示的不同功能或单元其故障概率是相互独立的。 系统的所有输入在规定极限之内，即不考虑由于输入错误而引起系统故障的情况； 当软件可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠的； 当人员可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设人员是完全可靠的，而且人员与系统之间没有相互作用问题。,2020/9/14,可靠性设计,36,典型可靠性模型,串联模型 并联模型 表决模型（r/n(G)模型） 非工作贮备模型（旁联模型） 桥联模型,2020/9/14,可靠性设计,37,串联模型,组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导

15、致整个系统故障的称为串联系统。 串联模型是最常用和最简单的模型之一。 串联系统的RBD如下图所示：,串联系统可靠性框图,2020/9/14,可靠性设计,38,串联模型,串联系统的数学模型 当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布,2020/9/14,可靠性设计,39,串联模型,系统的失效率为各单元的失效率之和 每一个单元的失效率为 系统的平均故障间隔时间：,2020/9/14,可靠性设计,40,串联模型,例某系统是由六种元器件构成的串联结构，其元器件的数量及其失效率如下表所示。求系统失效率和MTBF。,MTBF实测值为500h,2020/9/14,可靠性设计,41,串联模型,

16、当几个单元相互独立，系统可靠度：,2020/9/14,可靠性设计,42,串联模型,在设计时，为提高串联系统的可靠性，可从下列三方面考虑： 尽可能减少串联单元数目 提高单元可靠性，降低其故障率 缩短工作时间,2020/9/14,可靠性设计,43,并联模型,组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统，是最简单的冗余系统（有贮备模型）。 并联系统的RBD如图所示,并联系统可靠性框图,2020/9/14,可靠性设计,44,并联模型,数学模型 对于最常用的两单元并联系统，有,2020/9/14,可靠性设计,45,并联模型,即使单元故障率都是常数，而并联系统的故障率不再是常数 当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n个相同单元的并联系统，有,s(t),1,1,2,1=2,t,t,t,2,s(t),s(t),2020/9/14,可靠性设计,46,并联模型,当个单元相互独立，系统不可靠度：,2020/9/14,可靠性设计,47,并联模型,与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可靠性（特