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1、农业无人机系统的可靠性工程方法初探,珠海绿卫士/潘海洋 2014年11月,在生活中,对于任何一种民用产品或者武器系统，人们希望它不但具有优良的性能，价格适中，而且不易发生故障，经久耐用。后两者就是指产品的可靠性和耐久性。,美国空军的提法，“可靠性与维修性是战斗力的乘数，今天的可靠性与维修性，就是明天的战斗力”。,可靠性 (Reliability),产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性的概率度量称为可靠度。,为了达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术和管理活动。,可靠性工程 (Reliability Engineering),名词术语 a.基本可靠性：产品在规定的条件下和规
2、定的时间 内，无故障工作的能力。确定基本可靠性值时, 应统计产品的所有寿命单位和所有的关联故障。 （寿命单位：产品使用持续期的度量单位。如工作小时、次数等。） (关联故障：在解释试验结果或计算可靠性值时必须计入的故障。） b.任务可靠性：产品在规定的任务剖面内完成规定 功能的能力。 （任务剖面：产品在完成规定的任务这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。）,c.固有可靠性：设计和制造赋予产品的，并在理想的使用和保障条件下所具有的可靠性。 d.使用可靠性：产品在实际的环境中使用时所呈现的可靠性，它反映产品设计、制造、使用、维修、环境等因素的综合影响。,可靠性试验 1）目的 a）发现产品在设计
3、、材料、元器件和工艺方面的各种缺陷； b）确认是否符合可靠性定量要求,可靠性试验是产品在研制和生产阶段提高和验证可靠性的必要工作项目； c）改善产品的使用完好性、减小维修费用提供信息。 可靠性是设计出来的，是制造出来的，也是试验出来的。,2）分类,环境应力筛选（ESS） 工程试验 可靠性研制试验 (RDT) 可靠性增长试验（RGT） 可靠性试验 可靠性鉴定试验（RQT） 统计试验 可靠性测定试验（RDT) 可靠性验收试验（PRAT）,可靠性工程的实质 可靠性工程是与故障作斗争的一门科学，其实质是研究产品故障的发生、发展、在故障发生后的诊断、修理、保障, 以及如何预防产品故障的发生，直至消灭故障
4、的规律。 用通俗的话来说，可靠性系统工程是在研究产品“防病、治病”的规律。这与研究人类生命过程以及同疾病作斗争的医学系统工程颇有相似之处。,可靠性工程期望达到的目的,设备尽可能不坏（连续工作时间长） 一旦坏了尽可能损失小（人-设施-设备） 快速修复，任务尽量不中断 可以通过保障计划延长寿命和进行故障预防，降低故障概率及潜在损失 实现手段-可靠性设计,Content,传统可靠性工程的局限 农用无人机应用环境的特点 适用的可靠性工程方法体系探索 案例及探讨,农用无人机可靠性：效能-费用模型,可靠性,维修性,保障性,任务可靠性,生存性,可用性A,可信性D,能力C,效能E=A*D*C,全寿命费用LCC
5、,研发费用,生产成本,使用与保障,E-LCC模型,维修性三要素： (1)产品结构的维修方便性 (2)修理人员的修理技能 (3)维修系统的效能,传统可靠性工程的应用局限,可靠性试验验收/评估寿命 可靠性筛选选择器件 冗余/降额控制风险 FMEA可靠性建模/评估 问题: HASS/HALT试验费时费力,设备环境要求高 在半导体器件高集成度,高工艺水平条件下,筛选可有可无 FMEA面临高复杂度和人机交互使用环境下,无能为力 模型复杂,非专业人士很难掌握方法和工具 冗余/降额成本太高 基于概率分析的可靠性分析方法和建模方法遇到数据不可获取情况下,要么无能为力,要么太理论化失去实用价值,现有常规可靠性/
6、耐久性验证,模拟5*7的实战作业 优点：接近实战环境，能验证配套设施 缺点：样本太少，受人的操作一致性影响太多，数据利用不充分（只有简单的故障记录），计算方法不规范（不具有可比性）。加大样本数的话，投入巨大。时间太长，需要更多的基础试验支持，不适合可靠性增长,可维修产品的可靠性模型,修复时间和持续使用效能 影响范围 实际使用寿命 运行和维修/保修/保养政策 备件储备级别的设计 设计优化 软件升级策略 可靠性增长策略,持续改进/可靠性增长策略,适用情况 通过评审的新产品 开发阶段产品 未达到要求的现有产品 试验本身只是暴露缺陷,本身并不会改善可靠性 在生命周期内,通过可靠性增长策略,能够减少保修
7、期内维修,减少保养次数和成本,优化备件库存,减少客户及售后服务商负担,提升产品经济效益,农用无人机生产环境的特点,环境较恶劣（温度、湿度、粉尘、日照、电磁辐射等） 使用较粗暴（搬运、操作、维护保养等）,农用环境的可靠性需求,全生命周期的经济性 能够用于评价选择不同产品 农户、售后服务商、4S店的经营策略需要评估数据的支持及优化,现实中和可靠性相关的经济性问题,保修多久才合适？ 备件按什么计划准备？ 成本如何测算？ 人员计划和操作规程如何安排,生产应用企业的考虑,经济性 实用性 切实提高交付 指导设计和工艺控制的持续改善 人员素质的掌握 简洁便利的应用考虑 备件，可维护性 维护品牌口碑声誉,适用
8、性的民品可靠性方法,经济性 简单易用 标准化/流程化 工具化,可靠性方法融合,系统工程 硬件可靠性 软件可靠性（嵌入式） 结构可靠性 人机系统可靠性 环境因素变化影响 ,覆盖生命周期的闭环可靠性工程,产品设计,工艺设计,制造,使用和维护,可靠性增长 部件筛选,定型鉴定,设计验证,失效分析/缺陷-故障库,产品 效能- 成本 分析,以FMECA为核心建立可靠性增长机制,由失效发现缺陷，并追溯设计预防缺陷 针对失效模式设计测试方案 针对失效机理设计测试环境 设计缺陷预防：设计规则检查/评审 过程缺陷预防：过程控制,核心方法工具,可靠性设计-设计规则检查表 适当降额规则 测试计划+FMEA产品测试过程
9、增加模式分析 DMS-全生命周期的缺陷记录与数据分析系统 ESS关键部件筛选 FTA故障树分析 后勤资源计划 全生命周期使用成本分析,FMECA方法分类,设计FMECA,过程FMECA,功能 FMECA,硬件 FMECA,软件 FMECA,损坏模式及影响分析DMEA,核心方法：FMECA,图 FMECA方法的分类,统计FMECA,FMECA实施的步骤:,表16 故障模式及影响分析(FMEA)表,核心方法：失效分析 1)目的和作用 失效分析(Failure Analysis)是通过对失效的元器件进行必要的电、物理、化学检测，并结合元器件失效前后的具体情况进行技术分析，以确定元器件的失效模式、失效
10、机理和造成失效的原因。失效分析既要从本质上研究元器件自身的不可靠性因素，又要分析研究其工作条件、环境应力和时间等因素对器件发生失效所产生的影响。主要作用体现如下： 1.找到影响元器件可靠性的根源，为改进设计、工艺提供依据，采取有效 的纠正措施 ； 2.在工艺控制、筛选等方面，为器件制造者和使用检验制定合理的方法和规范提供依据； 3.判断元器件的失效是否属于批次性质量问题,为整批报废或整批元器件的使用提供决策依据； 4. 为用户合理选用元器件、整机可靠性设计提供依据； 5. 通过实施纠正措施，提高成品率和减小使用的故障率。,2) 适用范围 (1)对关键的、重要的以及多次出现失效而未找到原因的元器
11、件应进行失效分析, 提交专门的或主管部门认可的失效分析机构进行，以便了解元器件失效机理，采取有效纠正措施。 (2) 对一般元器件的失效也应组织有关人员进行分析和试验，找出原因，并采取纠正措施。 3) 简要介绍 (1) 有关概念； (2) 失效分类； (3) 元器件和设备失效分析的原则； (4) 失效分析工作方式和基本内容。 (5) 设备和元器件失效分析常用的方法,（1） 有关概念 a. 失效: 产品丧失完成规定功能的能力的事件; b. 故障: 产品不能执行规定功能的状态; c. 失效(故障)模式: 失效(故障)的表现形式。如 短路、开路、断裂、过度耗损等; d. 失效(故障)机理: 引起失效(
12、故障)的物理的、 化学的、生物的或其他的过程; e. 失效(故障)原因: 引起失效(故障)的设计、制 造、使用和维修等有关因素。,（2）失效分类 a.按失效模式: 有短路、开路、断裂等； b. 按失效原因: 有设计、制造、使用和维修等； c.按失效阶段: 有早期、偶然期和耗损期； d. 按失效程度: 有部分和完全； e. 按失效表现: 有明显和隐蔽； f. 按失效场合: 有试验和现场； g. 按失效的时间特性: 有突然间隙渐变等； h.按失效的关联性:有关联、非关联、责任和非责任等； i. 按失效后果: 有轻度、严重和致命。,（3）失效分析工作方式和基本内容 失效分析是综合学科，它跨越各种领域
13、并把相有关的技术综合在一起。失效分析有时需将元器件设计、制造、使用等几方的人员召集在一起，从元器件设计、制造、失效物理、使用、设备设计和制造以及可靠性管理等方面进行综合分析研究。只有这样才可能准确地找出失效的真正根源，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理的重复出现。 失效分析的主要内容包括： a. 明确分析对象; b. 确定失效模式; c. 研究失效机理; d. 判断失效原因; e. 提出预防措施(包括设计改进)。,4）失效分析工作程序 （1）推荐的失效分析工作程序（工作程序不是固定不变的） a. 明确失效分析的目的； b. 失效情况汇总和分析； c. 确认失效模式； d. 根据失效模式,
14、列出失效部位全部疑点； e. 制定排除疑点的方案和方法； f. 定位失效部位； g. 提出导致失效部位失效的假设和采用分析技术与试验验证； h. 通过验证提出对失效的纠正措施； i. 验证纠正措施的效果,并在全部元器件中实施。 例如：对微电路的失效分析实施技术项目约有20项左右， 包括外观检查、电测试、X照相、密封性试验、PIND、开帽，再使用光学、电学、化学、力学等分析方法。,可靠性问题分类,硬件可靠性 软件可靠性 机械（结构）可靠性 人件（manware）可靠性 系统接口可靠性,核心方法：FTA故障树分析 FTA是将一个不希望的产品故障事件或灾难性的产品危险事件做为顶事件，通过由上向下的严
15、格按层次的故障因果逻辑分析，建立故障树。 逐层找出对上一层事件必要而充分的直接原因，最终找出导致顶事件发生的所有原因（包括硬件、软件、环境、人为因素等）和原因组合，即各个底事件。 在具有基础数据时计算出顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标。,图 故障树示例,(B)选择顶事件 顶事件是建立故障树的基础，选择的顶事件不同，则建立的故障树也不同。 在进行故障树分析时，选择顶事件的方法如下： （a）在设计过程中进行FTA时，一般从那些显著影响产品技术性能、经济性、可靠性和安全性的故障中选择确定顶事件。 （b）在FTA之前若已进行了FME(C)A，则可以从故障严酷度为、类的系统故障模式中选择其中一个故
16、障模式确定为顶事件。 （c）发生重大故障或者事故后，可以将此类事件作为顶事件，通过故障树分析为故障归零提供依据。 对于顶事件必须严格选择，否则建出的故障树将达不到预期的目的。大多数情况下，产品会有多个不希望事件，应对它们一一确定，分别作为顶事件建立故障树并进行分析（见下面示例图）。,(C)建造故障树,故障树的建立 故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图。 它用事件符号、逻辑门符号和转移符号(子树转移符号)描述系统中各种事件之间的因果关系。 逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。,a.故障树常用事件及其符号,b.故障树常用逻辑门及其符号,故 障 树,c.故障树分析图的组成:,基本事件：是无需探明其发生原因的底事件,底事件是故障树中仅导致其他事件的原因事件。它位于所讨论的故障树底端，总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件,未探明事件：是原则上应进一步探明其原因但暂时不必或者不能探明其原
