用于測試復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于測試復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性的方法，包括如下步驟：通過標(biāo)識出系統(tǒng)的各部件來建立具有若干層的系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)；標(biāo)識故障模式并將其分配給各部件；確定各故障模式的測試過程；可以使用最少量的測試通過以下步驟來獲得與技術(shù)系統(tǒng)的可用性有關(guān)的可靠信息；標(biāo)識出用于向建立系統(tǒng)的分層分解的各部件分配可用性目標(biāo)的層；通過定性方法向之前步驟中標(biāo)識出的部件分配可用性目標(biāo)；計(jì)算出所有部件的預(yù)計(jì)可用性；通過所述預(yù)計(jì)可用性標(biāo)識出不滿足可用性目標(biāo)的那些部件，并選擇另一測試或增加已經(jīng)選擇的測試的嚴(yán)格性，直到可用性目標(biāo)被滿足；計(jì)算系統(tǒng)的總可用性。
【專利說明】用于測試復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于測試復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性的方法，包括對這樣的系統(tǒng)的可用性的評估和優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]研究復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的重要部分。為了獲得與可靠性有關(guān)的可靠結(jié)果，只執(zhí)行測試是不夠的，還必須仔細(xì)地計(jì)劃測試程序，也要以使得可以獲得統(tǒng)計(jì)上可靠的結(jié)果的方式來分析測試結(jié)果。
[0003]這樣的方法包括以下步驟:
[0004]a.通過標(biāo)識出系統(tǒng)的部件來建立具有若干層的系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)是諸如機(jī)器或車輛等復(fù)雜技術(shù)實(shí)體，它由在此被指定為部件的若干部分組成。部件本身可以由各部分組成，使得分層結(jié)構(gòu)被建立，在該分層結(jié)構(gòu)中，該系統(tǒng)由第一層的若干部件組成。這些第一層部件中的至少一些由第二層部件組成，并以此類推。在此，對于較高層部件的一部分，使用術(shù)語子部件。
[0005]在該步驟中，分析系統(tǒng)，并標(biāo)識出部件樹，以表示系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。
[0006]b.標(biāo)識和分配各部件的故障模式。分析所有的部件，以檢測出可導(dǎo)致系統(tǒng)的機(jī)能失常的可能故障，該系統(tǒng)的機(jī)能失常會導(dǎo)致不可用性。這些故障模式以其包括以下各項(xiàng)的所有方面來進(jìn)行描述，以便得到全面信息:
[0007]-故障種類，例如磨損，
[0008]-故障位置,例如滑動(dòng)表面，
[0009]-因果鏈，例如高局部壓力-高溫-表面部分熔化-粘著磨損-裂縫形成
[0010]-可觀察到的應(yīng)力參數(shù)，
[0011]-先兆(precursors)。
[0012]通常，某些部件可具有若干故障模式，而某些部件僅具有一個(gè)故障模式?？赡軙l(fā)生沒有向特定部件分配任何故障模式，但在這種情況下，應(yīng)該向至少一個(gè)子部件分配了故障模式。與每一故障模式有關(guān)的另一個(gè)非常重要的參數(shù)是系統(tǒng)在這種故障情況下的預(yù)期停機(jī)時(shí)間，包括用于檢測、備用部分的分發(fā)及修理的時(shí)間。
[0013]可用性是部件正在工作的操作時(shí)間的百分比。任何故障發(fā)生都會導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間，直到成功的修理被完成，并且該停機(jī)時(shí)間表示系統(tǒng)的不可用性。
[0014]c.確定不同部件的故障模式的測試過程，以獲得對該部件的可用性的估計(jì)。至少一個(gè)測試被選擇。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，這些測試以可以通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算來表明預(yù)定壽命可以被實(shí)現(xiàn)的方式來設(shè)計(jì)。詳細(xì)地，確定測試的足夠的持續(xù)時(shí)間，可以將該持續(xù)時(shí)間與顧客操作的特定時(shí)間(即，等效持續(xù)時(shí)間)進(jìn)行比較。
[0015]這樣的過程的缺點(diǎn)是各測試通常必須以獲得預(yù)后壽命或可用性的特殊方式來設(shè)計(jì)，并且在復(fù)雜的情況下，某些測試可能太過苛刻。同時(shí)，可能會忽視潛在的風(fēng)險(xiǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是避免這些缺點(diǎn)，并提供一種以最少量的測試和用于評估的其他努力來給出與技術(shù)系統(tǒng)的可用性有關(guān)的可靠信息的方法。
[0017]通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法來實(shí)現(xiàn)這些目的。現(xiàn)在，附加的步驟將被進(jìn)一步解釋。
[0018]d.標(biāo)識出用于向各部件分配可用性目標(biāo)并因此建立該系統(tǒng)的分層分解的層。確保表示該系統(tǒng)的分層樹是完整分解是一個(gè)重要的步驟。這意味著，該樹中的每一水平部分將包括該系統(tǒng)的每一部件，每一部件要么被直接地包括，要么由相應(yīng)的子部件來表示。
[0019]理論上，將每一部件劃分成某些子部件并以此類推是可能的。然而，對于這種分解存在合理的限制。通過這種限制，可以以充分的方式來評估部件的功能和可用性，而無需深入更多細(xì)節(jié)。從另一觀點(diǎn)來看，該最大深度層是從以下角度來選擇的:合理性測試對該層可用，而對之下的層不可用。也在該層上分配可用性目標(biāo)是有用的。
[0020]不得不提的是，在實(shí)踐中，該步驟可以在步驟b和步驟c之前執(zhí)行。
[0021]e.通過考慮經(jīng)驗(yàn)、故障的關(guān)鍵性和設(shè)計(jì)或材料的新穎性的定性方法來向之前步驟中標(biāo)識出的各部件分配可用性目標(biāo)，這些可用性目標(biāo)一起導(dǎo)致系統(tǒng)的總可用性目標(biāo)，并標(biāo)識出需要分析的那些目標(biāo)。
[0022]本發(fā)明的重要特征是以使得實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總目標(biāo)的方式來向各部件分配可用性目標(biāo)，這樣足以滿足系統(tǒng)用戶的需求。在該上下文中，定性意味著分配不是根據(jù)精確的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)方法來執(zhí)行的，而是根據(jù)考慮了所有種類的經(jīng)驗(yàn)的試探方法來執(zhí)行的。例如，通過這種方法，對部分的新材料的使用或新供應(yīng)商的使用一般將導(dǎo)致需要進(jìn)行調(diào)查。只有那些被很好了解的部件(這些部件具有沒有問題的歷史并且沒有任何新狀況被觀察到)才可被認(rèn)為是不關(guān)鍵的，因此無需執(zhí)行任何測試，即這些部件無須被分析。然而，也向這樣的部件分配某一余差(residual)可用性目標(biāo)。然而，假設(shè)即使在沒有執(zhí)行任何測試的情況下，也滿足這個(gè)目標(biāo)。
[0023]f.計(jì)算具有需要被分析的目標(biāo)的所有部件的預(yù)計(jì)可用性，在假設(shè)這些測試成功的情況下，該預(yù)計(jì)可用性是最可能可用性值的估計(jì)。
[0024]如果實(shí)施了所有的計(jì)劃測試，而沒有任何失敗，則可以計(jì)算出可論證的存活概率(survival probability)和可論證的可用性。這些值是實(shí)際存活概率和實(shí)際可用性的保守置信下限。這意味著與每一故障模式有關(guān)的真實(shí)存活概率和真實(shí)可用性預(yù)期比處于特定置信水平下的相應(yīng)下限要高。
[0025]已發(fā)現(xiàn)，基于可論證的可用性來聚集可用性會導(dǎo)致遠(yuǎn)非保守的結(jié)果，即故障的風(fēng)險(xiǎn)被過高估計(jì)到取決于測試的數(shù)量和故障的分布的程度。
[0026]只要沒有任何故障發(fā)生，就無法計(jì)算出存活概率/可用性的真實(shí)預(yù)期值。本發(fā)明現(xiàn)基于對預(yù)計(jì)可用性的使用，該預(yù)計(jì)可用性代替了這些預(yù)期值。這些是將用于聚集與可用性值有關(guān)的故障模式以得到總系統(tǒng)可用性的測量法。
[0027]g.通過所述預(yù)計(jì)可用性來標(biāo)識出不滿足可用性目標(biāo)的那些部件，并選擇另一測試來改進(jìn)預(yù)計(jì)可用性，或增加已選擇的測試的嚴(yán)格性(severtity)直到可用性目標(biāo)被滿足。
[0028]該這個(gè)步驟中，所標(biāo)識出的要被驗(yàn)證的那些部件按照附加的測試或者按照更頻繁或更長時(shí)間地執(zhí)行相同測試來獲得附加的測試努力。
[0029]h.計(jì)算系統(tǒng)的總可用性由于在所有基本上相關(guān)的情況下，系統(tǒng)可以是不可用的時(shí)間的百分比較小，因此可以通過累加各部件的可用性來獲得該總可用性。
[0030]注意，本發(fā)明的方法并不僅僅使得設(shè)計(jì)用于評估可用性的測試成為必須。對可能得到與部件的可能故障(該可能故障可容易地得到)有關(guān)的某些信息的任何測試的計(jì)算的貢獻(xiàn)可被使用。
[0031]對各部件或?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)執(zhí)行測試，其中優(yōu)選對可能的最低層部件進(jìn)行測試。每一測試可以產(chǎn)生與被測試的部件或其子部件的某些故障模式有關(guān)的信息?？赡馨l(fā)生某一測試并不會對其他故障模式的評估有貢獻(xiàn)。
[0032]優(yōu)選地，可以預(yù)見不同的測試被實(shí)施，并被組合起來計(jì)算特定故障模式的風(fēng)險(xiǎn)。因此，例如震動(dòng)臺測試、過載測試和整車可有利于檢查如后面描述的故障模式一液壓系統(tǒng)的連接盤的高循環(huán)疲勞。
[0033]以上的解釋涉及在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)階段期間計(jì)劃驗(yàn)證活動(dòng)。在這個(gè)階段，測試被計(jì)劃，以便在測試結(jié)果為正數(shù)的條件下獲取與可用性有關(guān)的信息。本發(fā)明還涉及如下方法，在該方法中，隨后的測試被實(shí)際執(zhí)行，并且，取決于結(jié)果，對測試程序的改變被可選地考慮，并且或許其他動(dòng)作被采取。
[0034]計(jì)算了系統(tǒng)的總可用性后，測試被實(shí)際地實(shí)施，并且該方法通過執(zhí)行如下程度的評估來擴(kuò)展:由于測試失敗而需要附加的測試或設(shè)計(jì)改變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]現(xiàn)參考附圖來詳細(xì)解釋本發(fā)明。附圖包括以下:
[0036]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；
[0037]圖2示出表示隨時(shí)間的顧客負(fù)載的可變性的示圖，該可變性為由兩個(gè)應(yīng)力參數(shù)(速度n (t)和壓力P(t))組成的參考譜(reference profile)；
[0038]圖3是示出從可論證的可用性計(jì)算預(yù)計(jì)可用性的示圖；
[0039]圖4是示出用于不同參數(shù)的集度函數(shù)的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0040]首先，參考圖1解釋該方法。
[0041]步驟1:定義要檢查的系統(tǒng)，并確定必須要實(shí)現(xiàn)的總可用性。
[0042]步驟2:建立包含該系統(tǒng)的所有部件的表示其結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)樹。
[0043]步驟3:標(biāo)識出可能影響產(chǎn)品可用性的技術(shù)和補(bǔ)充風(fēng)險(xiǎn)，并且這些風(fēng)險(xiǎn)被分配給表示該系統(tǒng)的部件的相應(yīng)系統(tǒng)樹節(jié)點(diǎn)。
[0044]步驟4:通過考慮影響與各單獨(dú)部件有關(guān)的故障風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)環(huán)境來執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)評估，并且基于這樣的評估來分配可用性目標(biāo)。
[0045]步驟5al到5c2可以部分地彼此并行地執(zhí)行，因此它們被表示在三個(gè)分支上。
[0046]步驟5al:可能的先驗(yàn)故障模式被分析，并被分配給系統(tǒng)樹中的各節(jié)點(diǎn)。標(biāo)識出對于設(shè)置故障模型的物理性質(zhì)而言相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)。
[0047]步驟5a2:向每一故障模式分配故障模型(PoF)的物理性質(zhì)。
[0048]步驟5bl:驗(yàn)證測試候選根據(jù)與累積損壞強(qiáng)度有關(guān)的效率而獲得資格。
[0049]步驟5b2:向系統(tǒng)樹的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配有資格的驗(yàn)證測試。[0050]步驟5cl:設(shè)置顧客使用空間，分析目標(biāo)市場的需求，實(shí)施使用測量數(shù)據(jù)的加權(quán)的主成分分析(PCA)。
[0051]步驟5c2:定位有資格的驗(yàn)證測試，并標(biāo)識出使用空間中的預(yù)期參考工作循環(huán)。
[0052]步驟6:根據(jù)參考譜根據(jù)相關(guān)的故障模式為所計(jì)劃的每一測試計(jì)算出可論證的可用性。
[0053]步驟7:將獲得的結(jié)果聚集成針對每一樹節(jié)點(diǎn)的預(yù)計(jì)可用性的值。
[0054]步驟1:檢查預(yù)計(jì)可用性是否可接受，即它是否滿足每一樹節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)。
[0055]如果為是_>步驟VI
[0056]如果為否_>步驟8。
[0057]步驟8:從可用性不足的所有樹節(jié)點(diǎn)中選擇以最大的偏差偏離可用性目標(biāo)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0058]步驟I1:檢查針對所選節(jié)點(diǎn)的故障模式的任何有資格的測試是否都可用。
[0059]如果為是_>步驟9。
[0060]如果為否_>步驟IV
[0061]步驟9:為該節(jié)點(diǎn)選擇頂部的性能測試。
[0062]步驟10:這個(gè)測試被分配給該系統(tǒng)樹的最低可能層。
[0063]步驟11:為所有受影響的樹節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算可論證的可用性和預(yù)計(jì)可用性。
[0064]步驟12:在考慮所分配的風(fēng)險(xiǎn)以及所有標(biāo)識出的先驗(yàn)故障模式的情況下，基于經(jīng)調(diào)整的測試程序來確定系統(tǒng)的預(yù)期(預(yù)計(jì))可用性。
[0065]步驟II1:檢查預(yù)計(jì)可用性是否可接受，即它是否滿足目標(biāo)要求。
[0066]如果為是_>步驟14。
[0067]如果為否_>返回步驟8
[0068]步驟IV:檢查是否任何其他節(jié)點(diǎn)可用于被選擇。
[0069]如果為是_>步驟13
[0070]如果為否_>步驟14
[0071]步驟13:選擇不可用性評級中的下一節(jié)點(diǎn)。
[0072]步驟14:實(shí)施所定義的測試并報(bào)告結(jié)果。
[0073]步驟V:檢查任何觀察到的測試中的故障是否要求設(shè)計(jì)改變。
[0074]如果為是_>步驟15
[0075]如果為否_>返回步驟I
[0076]步驟15:重置各樹節(jié)點(diǎn)處受到設(shè)計(jì)改變影響的所有相關(guān)故障模式的測試貢獻(xiàn)。
[0077]去往步驟8
[0078]步驟V1:檢查各測試是否已被實(shí)施。
[0079]如果為是_>步驟16。
[0080]如果為否_>返回步驟14
[0081]步驟16:如果必要的話，定義早期警告系統(tǒng)的樹結(jié)點(diǎn)和故障模式的范圍。在實(shí)踐應(yīng)用中，可以預(yù)期，對于未被充分驗(yàn)證的每一故障模式而言，邊界條件不允許增加驗(yàn)證程序的嚴(yán)格性或擴(kuò)展性。尤其地，這可適用于因驗(yàn)證程序執(zhí)行期間觀察到的故障而必須被重新驗(yàn)證的故障節(jié)點(diǎn)，尤其如果這些故障節(jié)點(diǎn)要求實(shí)時(shí)以表現(xiàn)出諸如(侵蝕、因沉積而阻塞等)。在這樣情況下，可以決定在如下條件下發(fā)布該系統(tǒng):無法充分驗(yàn)證的那些故障模式在早期警告系統(tǒng)中是特別注意地被監(jiān)視的。
[0082]步驟17:有條件的系統(tǒng)發(fā)布。
[0083]現(xiàn)在將使用僅用于說明而給出、并非旨在限制本發(fā)明的范圍的示例來解釋本發(fā)明該示例描繪了對液壓系統(tǒng)的評估。
[0084]這些步驟被按序執(zhí)行，但是用相同的字母被指定為權(quán)利要求書中的步驟。
[0085]初始步驟:定義目的和可用性目標(biāo)
[0086]液壓系統(tǒng)HSOl在顧客操作中的可用性必須在開發(fā)階段中被盡可能早的得到保證，因?yàn)樗顷P(guān)鍵的產(chǎn)品特征。每年的年操作時(shí)間是3600小時(shí)。在使用的前三年中，總可用性目標(biāo)是99%。只要發(fā)生導(dǎo)致要實(shí)施所需的修理動(dòng)作的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間的故障事件發(fā)生，系統(tǒng)的不可用性就出現(xiàn)。最終，在系統(tǒng)未被操作的時(shí)間段(例如，晚上、周末期間)中實(shí)施所需的調(diào)度維護(hù)動(dòng)作。
[0087]平均修理時(shí)間(B卩，修理或翻新動(dòng)作所需的平均時(shí)間)被假設(shè)為與受影響部件無關(guān)，因?yàn)檫@些動(dòng)作的主要工作是將該系統(tǒng)從車輛處拆卸掉，而該拆卸被假設(shè)為在每一不可用性情況下都是必須。平均修理時(shí)間被假設(shè)為是18小時(shí)。一般來說，修理的平均時(shí)間取決于受影響的部件并取決于觀察到的故障模式。
[0088]a.定義范圍
[0089]要考慮的液壓系統(tǒng)由下面的樹結(jié)構(gòu)來表示:
[0090]
【權(quán)利要求】
1.一種用于測試復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性的方法，包括對這樣的系統(tǒng)的可用性的評估和優(yōu)化，所述方法包括以下步驟: a.通過標(biāo)識出所述系統(tǒng)的部件來建立具有若干層的系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)； b.標(biāo)識故障模式并將其分配給部件； c.確定不同部件的故障模式的測試過程以獲得對該部件的可用性的估計(jì)，并選擇至少一個(gè)測試； 其特征在于以下步驟: d.標(biāo)識出用于向建立所述系統(tǒng)的分層分解的各部件分配可用性目標(biāo)的層； e.通過考慮經(jīng)驗(yàn)、故障的關(guān)鍵性以及設(shè)計(jì)或材料的新穎性的定性方法來向之前步驟中標(biāo)識出的各部件分配可用性目標(biāo)，所述可用性目標(biāo)組合起來導(dǎo)致所述系統(tǒng)的總可用性目標(biāo)，并標(biāo)識出需要分析的那些目標(biāo)； f.計(jì)算具有需要被分析的目標(biāo)的所有部件的預(yù)計(jì)可用性，在這些測試成功的情況下，該預(yù)計(jì)可用性是最可能的可用性值的估計(jì)； g.通過所述預(yù)計(jì)可用性來標(biāo)識出不滿足可用性目標(biāo)的那些部件，并選擇另一測試來改進(jìn)預(yù)計(jì)可用性或增加已經(jīng)選擇的測試的嚴(yán)格性，直到可用性目標(biāo)被滿足； h.計(jì)算所述系統(tǒng)的總可用性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)在步驟e.中分配了可用性目標(biāo)之后，在所述測試為成功的情況下，先計(jì)算出表示特定置信水平下的可用性下限的可論證可用性，并從所述可論證可用性導(dǎo)出所述預(yù)計(jì)可用性。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，選擇使得所述系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中的最低可能層被首先檢查的那些測試。
4.如權(quán)利要求1到3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，首先選擇出于其他目的而執(zhí)行的那些測試。
5.如權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，故障模型的物理性質(zhì)被應(yīng)用以針對對預(yù)計(jì)可用性的貢獻(xiàn)來評估所選的測試。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)按照故障模型的物理性質(zhì)建立的排序，來執(zhí)行對另一測試的選擇以改進(jìn)可論證可用性。
7.如權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在沒有對一部件標(biāo)識出任何故障模式的情況下，認(rèn)為所述可用性目標(biāo)已被實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，不同的測試被實(shí)施，并且組合起來用于計(jì)算特定故障模式的風(fēng)險(xiǎn)。
9.如權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟f.中對預(yù)計(jì)可用性的計(jì)算是在假設(shè)貝塔分布的情況下執(zhí)行的。
10.如權(quán)利要求1到9中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在計(jì)算出了所述系統(tǒng)的總可用性之后，測試被實(shí)際實(shí)施，并且因失敗的測試而估計(jì)是否需要附加的測試或設(shè)計(jì)改變或其他動(dòng)作。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在實(shí)施所計(jì)劃的測試之后，貢獻(xiàn)被實(shí)際測試貢獻(xiàn)所取代。
【文檔編號】G01M99/00GK103592141SQ201310335865
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月13日
【發(fā)明者】C·格雷, N·哈塞爾格魯伯, F·朗瑪麗 申請人:Uptime工程有限公司