模型驅(qū)動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)展望

任占勇

可靠性作為產(chǎn)品的固有屬性，其重要性不言而喻。在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，試想人們?cè)缟闲褋?lái)，打開(kāi)電燈，乘座電梯，出行使用交通工具，辦公室打開(kāi)電腦，聯(lián)系工作使用電話等等，人們充分享受著現(xiàn)代文明帶來(lái)的便利。設(shè)若這些產(chǎn)品故障頻發(fā)，可靠性差，那么我們就不是享受而是受罪了；如果產(chǎn)品是武器裝備，產(chǎn)品的不可靠在平時(shí)訓(xùn)練和作戰(zhàn)中造成的后果是難以想象的，甚至可能直接關(guān)系到戰(zhàn)斗人員的生命安全和戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品和武器裝備的可靠性仍然處于一個(gè)較低的水平，產(chǎn)品可靠性問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)由“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”的瓶頸之一。

產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析工作面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，但是，目前我國(guó)的可靠性設(shè)計(jì)分析仍然存在與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)工作“兩張皮”的老大難問(wèn)題，應(yīng)該說(shuō)主要結(jié)癥還在于現(xiàn)有的可靠性技術(shù)方法的工程適應(yīng)性不強(qiáng)，外加基礎(chǔ)故障數(shù)據(jù)的缺乏，造成在產(chǎn)品研制過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)方案潛在薄弱環(huán)節(jié)的定位不具體或不全面，不得不等到研制后期具備物理樣機(jī)后，依靠試驗(yàn)的方式來(lái)暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷并驗(yàn)證可靠性的達(dá)標(biāo)情況。一旦產(chǎn)品可靠性不達(dá)標(biāo)，必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)，造成時(shí)間、成本等方面的極大浪費(fèi)。而且，隨著用戶需求的不斷提高，產(chǎn)品復(fù)雜程度越來(lái)越高，可靠性要求的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)日益困難。因此，探討新的更加有效的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)十分必要和迫切。

可靠性工程和其他專業(yè)學(xué)科一樣，也是由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而推動(dòng)發(fā)展的。例如基礎(chǔ)材料、元器件和工藝等技術(shù)和質(zhì)量水平的不斷提高為可靠性工程技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；對(duì)產(chǎn)品故障規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深化推動(dòng)著可靠性理論和方法的不斷創(chuàng)新；廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品信息化和數(shù)字化設(shè)計(jì)手段為可靠性技術(shù)的研究和工程應(yīng)用增效提供了全新的手段。尤其近年來(lái)隨著產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成熟，并在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)和集成制造具有極大支撐作用。數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造等先進(jìn)技術(shù)手段的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)“試驗(yàn)-分析-改進(jìn)”（Test，Analysis and Fix， TAAF）的串行研制模式，產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)將逐漸取代研制過(guò)程中用于工程分析的實(shí)物模型或物理樣機(jī)，已經(jīng)成為工業(yè)界不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。產(chǎn)品數(shù)字化研制環(huán)境的強(qiáng)大建模和仿真能力，為克服現(xiàn)有可靠性技術(shù)存在的缺陷、創(chuàng)新可靠性工程技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)可靠性與產(chǎn)品性能的并行設(shè)計(jì)等，提供了極為重要的基礎(chǔ)支撐條件。

基于數(shù)字化手段的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)作為現(xiàn)有可靠性工程技術(shù)的有益補(bǔ)充，預(yù)期可以發(fā)揮以下重要的作用：

1）為現(xiàn)有可靠性技術(shù)工具的應(yīng)用增效提供手段?，F(xiàn)有的可靠性工程技術(shù)，限于技術(shù)形成時(shí)期的認(rèn)知和工程手段，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案以及故障規(guī)律進(jìn)行了很多假設(shè)和簡(jiǎn)化，僅考慮了故障的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性和故障邏輯關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品的故障發(fā)生及其傳播影響規(guī)律涵蓋不全。依托現(xiàn)代數(shù)字化平臺(tái)強(qiáng)大建模手段和復(fù)雜仿真解析能力，可靠性建?？梢詮墓收系亩x出發(fā)，建立基于產(chǎn)品性能參量變化的可靠性模型，不僅可以考慮產(chǎn)品組成部分之間的故障邏輯組合關(guān)系對(duì)產(chǎn)品的影響，而且對(duì)產(chǎn)品各組成部分由于參數(shù)漂移和性能偏差的綜合累積誤差引起的全局故障、以及系統(tǒng)接口故障等問(wèn)題可以全面模擬考察，同時(shí)基于產(chǎn)品功能模型故障注入的FMEA方法，不但可以考慮單一故障因素的影響，而且可以靈活地考慮多故障因素的邏輯和時(shí)序組合影響等。

2）為可靠性理論創(chuàng)新及應(yīng)用提供方法路徑?，F(xiàn)有的可靠性工程技術(shù)建立在對(duì)產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)的規(guī)律及其理論基礎(chǔ)之上，可靠性指標(biāo)的分析與評(píng)價(jià)是基于產(chǎn)品“黑箱”式的內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)推斷，與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)并不直接相關(guān)聯(lián)。工程實(shí)際中，除了產(chǎn)品的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大量與可靠性息息相關(guān)而并非傳統(tǒng)意義上的故障的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如性能退化，參數(shù)漂移等）在現(xiàn)有的可靠性方法體系下未能得到有效的利用，從而失去發(fā)現(xiàn)可靠性問(wèn)題的大量線索；而且基于“故障”信息，是一種事后反饋的方式，本質(zhì)上不能實(shí)現(xiàn)故障的事先預(yù)防。利用產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境提供的強(qiáng)大建模與仿真能力，可靠性設(shè)計(jì)分析可以依托產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)行基于廣義應(yīng)力損傷的故障機(jī)理分析以及基于性能參量狀態(tài)變化的功能可靠性分析，確定設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)故障的分析和預(yù)防。這些可靠性的新理論和新方法多年來(lái)發(fā)展受限的一個(gè)主要原因是缺乏相應(yīng)的建模和仿真分析的工具，數(shù)字化強(qiáng)大的建模仿真分析能力為開(kāi)展這些工作提供了保障條件。

3）為可靠性與產(chǎn)品設(shè)計(jì)一體化提供平臺(tái)環(huán)境。由于現(xiàn)有可靠性設(shè)計(jì)分析工作的成效不足，可靠性工作實(shí)際是遵從“試驗(yàn)-分析-改進(jìn)”串行的工作模式，尚不能與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并行協(xié)同。現(xiàn)有基于故障統(tǒng)計(jì)的可靠性工作項(xiàng)目如可靠性預(yù)計(jì)、可靠性框圖、故障模式影響與危害分析、故障樹(shù)和可靠性增長(zhǎng)等，對(duì)于產(chǎn)品可靠性的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了很大作用，然而更重要的是我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)工程的方法手段對(duì)故障進(jìn)行分析定位，包括清楚產(chǎn)品的主要故障模式、故障機(jī)理和故障位置等信息，從而可以采取有效措施防止故障的發(fā)生。這些工程方法主要包括熱分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、疲勞分析以及功能仿真分析等，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用這些方法可以設(shè)計(jì)出無(wú)故障使用期足夠長(zhǎng)的產(chǎn)品。這些工作需要投入各種技術(shù)資源，需要多個(gè)專業(yè)的協(xié)同工作，應(yīng)用的工具不應(yīng)僅僅是傳統(tǒng)的可靠性工具，還需借助各種數(shù)字化分析工具，如CFD分析工具、FEA分析工具、疲勞分析工具、功能和動(dòng)態(tài)仿真分析工具等。一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期就開(kāi)展這些工程分析工作，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)并分析其故障機(jī)理。建立在數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境下的基于單一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品數(shù)字化模型為開(kāi)展可靠性與產(chǎn)品設(shè)計(jì)一體化工作提供了必要的手段，便于從組織形式、設(shè)計(jì)流程、數(shù)據(jù)流程、控制流程、監(jiān)控流程等方面實(shí)現(xiàn)一體化。

模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)工程方法

目前我國(guó)武器裝備與工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)與研制水平越來(lái)越高，無(wú)論是軍工產(chǎn)品，還是汽車家電等行業(yè)，基于數(shù)字化模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨。中航工業(yè)集團(tuán)公司目前正在大力推廣基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，實(shí)質(zhì)上是建立在數(shù)字化研制環(huán)境下的一種先進(jìn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法。它以建模方法支持產(chǎn)品系統(tǒng)要求確認(rèn)、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和方案確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及后來(lái)的所有的壽命周期階段。

基于模型的系統(tǒng)工程強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的生成要從“基于文本”向“基于模型”轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)應(yīng)使用“模型”而不是“文檔”作為系統(tǒng)各階段設(shè)計(jì)的傳遞語(yǔ)言，減少設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和迭代過(guò)程中的語(yǔ)言不一致性。在MBSE方法中，系統(tǒng)架構(gòu)模型是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵要素，通過(guò)采用面向?qū)ο蟮?、圖形化、可視化的系統(tǒng)建模語(yǔ)言描述系統(tǒng)的底層元素，進(jìn)而逐層向上建立集成化、具體化、可視化的系統(tǒng)架構(gòu)模型，增加了對(duì)系統(tǒng)描述的全面性、準(zhǔn)確性和一致性。

目前應(yīng)用最廣泛的MBSE方法是IBM公司提出的Rational Harmony系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，它是MBSE方法的一種典型實(shí)踐，如圖1所示。該流程實(shí)際由系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)及集成驗(yàn)證階段兩大部分組成，其分界點(diǎn)是“系統(tǒng)架構(gòu)基線”的確立。系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段包括：需求分析、系統(tǒng)功能分析、設(shè)計(jì)綜合三個(gè)階段；后一階段包括模塊設(shè)計(jì)、模塊實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證、模塊集成與驗(yàn)證、（子）系統(tǒng)集成與驗(yàn)證等階段。中間的豎條是需求與模型知識(shí)庫(kù)，用于管理在各個(gè)過(guò)程中所形成的需求或模型文檔。

模型驅(qū)動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)分析架構(gòu)

可靠性設(shè)計(jì)分析作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程一個(gè)工程專業(yè)，也必須順應(yīng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，明確在基于模型的系統(tǒng)工程的產(chǎn)品系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下可靠性應(yīng)該開(kāi)展的主要設(shè)計(jì)活動(dòng)及其相關(guān)技術(shù)需求。

美國(guó)國(guó)防部在最新頒布的DODI 5000.02《國(guó)防采辦指南》中闡述了武器裝備系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，并隨即發(fā)布了配套的DOD RAM工作指南，強(qiáng)調(diào)應(yīng)在系統(tǒng)工程模式下開(kāi)展可靠性工作。美國(guó)信息技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布的GEIA-STD-0009《可靠性保證大綱》、RTCA/DO-254《電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)流程》、MIL-A-87244A《航空電子設(shè)備完整性大綱》等一系列標(biāo)準(zhǔn)也給出了在系統(tǒng)工程框架下開(kāi)展可靠性工程的思路。與GJB450等傳統(tǒng)可靠性大綱不同，GEIA-STD-0009等標(biāo)準(zhǔn)將“可靠性設(shè)計(jì)活動(dòng)”與“可靠性設(shè)計(jì)工具”嚴(yán)格分開(kāi)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了在系統(tǒng)工程研制模式下應(yīng)該集成開(kāi)展的“可靠性活動(dòng)”。其中，與可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)的活動(dòng)包括：

1）明確可靠性要求

理解用戶的功能和任務(wù)要求、保障方式、故障定義、環(huán)境條件及其他設(shè)計(jì)約束條件，以產(chǎn)品的各種功能性和非功能性需求為導(dǎo)向明確可靠性要求。

2）在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中建立并不斷更新可靠性模型

包括在設(shè)計(jì)早期建立可靠性模型，用于描述產(chǎn)品功能依賴關(guān)系、冗余方式、降級(jí)工作模式，以用于可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)、識(shí)別單點(diǎn)故障、明確可靠性關(guān)鍵項(xiàng)、與產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行權(quán)衡。在壽命期內(nèi)，每當(dāng)識(shí)別了新的故障模式，修正了環(huán)境載荷或設(shè)計(jì)工藝發(fā)生變更時(shí)，都需要對(duì)可靠性模型進(jìn)行更新。在設(shè)計(jì)后期要建立組件的應(yīng)力模型與損傷模型。

3）漸進(jìn)地識(shí)別壽命周期的載荷條件、故障模式和故障機(jī)理

在系統(tǒng)的整個(gè)研制過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品經(jīng)歷的外部環(huán)境載荷（沖擊、機(jī)械振動(dòng)、溫度和濕度等）和工作載荷進(jìn)行漸進(jìn)識(shí)別；在設(shè)計(jì)初期就開(kāi)始考慮系統(tǒng)潛在的失效模式和失效機(jī)理；進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)后，將組件和器件的壽命周期載荷作為工程分析和故障物理分析的輸入；使用建模和分析方法對(duì)系統(tǒng)失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行分析，并提出糾正措施（降低組件失效發(fā)生概率、增加冗余、工作模式降級(jí)和故障預(yù)測(cè)等設(shè)計(jì)特征）。

4）計(jì)劃和開(kāi)展可靠性評(píng)估與驗(yàn)證

在研制早期制定可靠性確認(rèn)和驗(yàn)證計(jì)劃，在研制過(guò)程中使用分析、建模、仿真與試驗(yàn)等多種技術(shù)手段對(duì)可靠性進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證和評(píng)估，確?？煽啃运綕M足用戶要求。

上述可靠性設(shè)計(jì)活動(dòng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程集成框架見(jiàn)圖2所示。

在產(chǎn)品需求分析階段，將用戶的相關(guān)需求進(jìn)行分析和整理轉(zhuǎn)化為初步的可靠性設(shè)計(jì)要求。如果用戶提出的可靠性要求為模糊的可靠性要求，需要將其定量化；如果用戶提出的是明確的使用要求，則需要將使用要求轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計(jì)要求。目前該方面亟待研究的問(wèn)題包括復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性要求及其表征參數(shù)，基于最小維修策略的可靠性要求及其參數(shù)指標(biāo)等。

系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)綜合階段，建立可靠性模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定性、定量的分析和評(píng)估?？煽啃怨ぷ髦饕腔谙到y(tǒng)的功能分解進(jìn)行可靠性的分配、預(yù)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。該階段目前需要著力突破的方面包括：以可靠性正向設(shè)計(jì)為目的的可靠性公理設(shè)計(jì)技術(shù)，以任務(wù)可靠性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法等。

在系統(tǒng)組件完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，并建立數(shù)字樣機(jī)模型后，以數(shù)字樣機(jī)和環(huán)境載荷為輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性和組件功能的可靠性分析，分析組件潛在故障模式和失效機(jī)理，根據(jù)可靠性分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。 目前國(guó)內(nèi)基于故障物理的可靠性關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，并在航空型號(hào)中推廣應(yīng)用，對(duì)保證高可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到了積極支撐作用。目前仍需要突破的問(wèn)題主要是對(duì)一些新材料、新器件和新工藝產(chǎn)品在復(fù)雜使用環(huán)境下的故障機(jī)理尚進(jìn)行深入研究，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和片上系統(tǒng)（SOC）的故障機(jī)理及其相關(guān)可靠性問(wèn)題等。

在子系統(tǒng)集成和系統(tǒng)集成驗(yàn)證階段，以系統(tǒng)的功能模型和組件可靠性信息為輸入，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析和評(píng)價(jià)，對(duì)子系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。該方面需要研究的問(wèn)題包括任務(wù)可靠性的驗(yàn)證評(píng)價(jià)、高可靠性產(chǎn)品的指標(biāo)驗(yàn)證等。

模型驅(qū)動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)展望

信息化和數(shù)字化環(huán)境為模型驅(qū)動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用提供了條件，其發(fā)展方興未艾。依托數(shù)字化建模分析的強(qiáng)大能力，為可靠性設(shè)計(jì)分析工作的進(jìn)一步“精細(xì)化”和“精準(zhǔn)化”提供了可能，為可靠性與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的無(wú)縫協(xié)同提供了條件。隨著“中國(guó)制造2025”時(shí)代的到來(lái)，一方面要著力研究突破模型驅(qū)動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)分析相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，另一方面，也需要加緊完善相關(guān)工程應(yīng)用平臺(tái)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，以支持工程推廣應(yīng)用。

（作者單位系中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所）