模型驅動的可靠性設計與分析技術展望

任占勇

可靠性作為產品的固有屬性，其重要性不言而喻。在科學技術日益發達的今天，試想人們早上醒來，打開電燈，乘座電梯，出行使用交通工具，辦公室打開電腦，聯系工作使用電話等等，人們充分享受著現代文明帶來的便利。設若這些產品故障頻發，可靠性差，那么我們就不是享受而是受罪了；如果產品是武器裝備，產品的不可靠在平時訓練和作戰中造成的后果是難以想象的，甚至可能直接關系到戰斗人員的生命安全和戰爭的勝負。和歐美發達國家相比，我國工業產品和武器裝備的可靠性仍然處于一個較低的水平，產品可靠性問題已經成為制約我國由“制造大國”向“制造強國”的瓶頸之一。

產品可靠性設計分析工作面臨的挑戰和機遇

產品可靠性是設計出來的，但是，目前我國的可靠性設計分析仍然存在與產品性能設計工作“兩張皮”的老大難問題，應該說主要結癥還在于現有的可靠性技術方法的工程適應性不強，外加基礎故障數據的缺乏，造成在產品研制過程中對設計方案潛在薄弱環節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后，依靠試驗的方式來暴露產品設計缺陷并驗證可靠性的達標情況。一旦產品可靠性不達標，必然會導致設計反復，造成時間、成本等方面的極大浪費。而且，隨著用戶需求的不斷提高，產品復雜程度越來越高，可靠性要求的設計實現日益困難。因此，探討新的更加有效的可靠性設計分析技術十分必要和迫切。

可靠性工程和其他專業學科一樣，也是由于科學技術的不斷進步而推動發展的。例如基礎材料、元器件和工藝等技術和質量水平的不斷提高為可靠性工程技術的發展奠定了堅實的基礎；對產品故障規律認識的不斷深化推動著可靠性理論和方法的不斷創新；廣泛應用的產品信息化和數字化設計手段為可靠性技術的研究和工程應用增效提供了全新的手段。尤其近年來隨著產品數字化設計技術逐漸成熟，并在工業領域廣泛應用，對產品并行設計和集成制造具有極大支撐作用。數字化設計和制造等先進技術手段的出現徹底改變了傳統“試驗-分析-改進”（Test，Analysis and Fix， TAAF）的串行研制模式，產品數字樣機將逐漸取代研制過程中用于工程分析的實物模型或物理樣機，已經成為工業界不可逆轉的趨勢。產品數字化研制環境的強大建模和仿真能力，為克服現有可靠性技術存在的缺陷、創新可靠性工程技術以及實現可靠性與產品性能的并行設計等，提供了極為重要的基礎支撐條件。

基于數字化手段的可靠性設計分析技術作為現有可靠性工程技術的有益補充，預期可以發揮以下重要的作用：

1）為現有可靠性技術工具的應用增效提供手段?，F有的可靠性工程技術，限于技術形成時期的認知和工程手段，對產品設計方案以及故障規律進行了很多假設和簡化，僅考慮了故障的統計規律性和故障邏輯關系，對產品的故障發生及其傳播影響規律涵蓋不全。依托現代數字化平臺強大建模手段和復雜仿真解析能力，可靠性建?？梢詮墓收系亩x出發，建立基于產品性能參量變化的可靠性模型，不僅可以考慮產品組成部分之間的故障邏輯組合關系對產品的影響，而且對產品各組成部分由于參數漂移和性能偏差的綜合累積誤差引起的全局故障、以及系統接口故障等問題可以全面模擬考察，同時基于產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序組合影響等。

2）為可靠性理論創新及應用提供方法路徑?，F有的可靠性工程技術建立在對產品故障統計的規律及其理論基礎之上，可靠性指標的分析與評價是基于產品“黑箱”式的內外場試驗結果的統計推斷，與產品的設計參數并不直接相關聯。工程實際中，除了產品的故障統計數據，大量與可靠性息息相關而并非傳統意義上的故障的基礎數據（如性能退化，參數漂移等）在現有的可靠性方法體系下未能得到有效的利用，從而失去發現可靠性問題的大量線索；而且基于“故障”信息，是一種事后反饋的方式，本質上不能實現故障的事先預防。利用產品數字化設計環境提供的強大建模與仿真能力，可靠性設計分析可以依托產品的數字樣機，進行基于廣義應力損傷的故障機理分析以及基于性能參量狀態變化的功能可靠性分析，確定設計薄弱環節，實現故障的分析和預防。這些可靠性的新理論和新方法多年來發展受限的一個主要原因是缺乏相應的建模和仿真分析的工具，數字化強大的建模仿真分析能力為開展這些工作提供了保障條件。

3）為可靠性與產品設計一體化提供平臺環境。由于現有可靠性設計分析工作的成效不足，可靠性工作實際是遵從“試驗-分析-改進”串行的工作模式，尚不能與產品性能設計實現并行協同?，F有基于故障統計的可靠性工作項目如可靠性預計、可靠性框圖、故障模式影響與危害分析、故障樹和可靠性增長等，對于產品可靠性的實現發揮了很大作用，然而更重要的是我們如何通過工程的方法手段對故障進行分析定位，包括清楚產品的主要故障模式、故障機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生。這些工程方法主要包括熱分析、模態與振動分析、疲勞分析以及功能仿真分析等，設計團隊采用這些方法可以設計出無故障使用期足夠長的產品。這些工作需要投入各種技術資源，需要多個專業的協同工作，應用的工具不應僅僅是傳統的可靠性工具，還需借助各種數字化分析工具，如CFD分析工具、FEA分析工具、疲勞分析工具、功能和動態仿真分析工具等。一個優秀的設計團隊應從產品設計的早期就開展這些工程分析工作，找出產品設計的薄弱環節并分析其故障機理。建立在數字化設計環境下的基于單一數據源的產品數字化模型為開展可靠性與產品設計一體化工作提供了必要的手段，便于從組織形式、設計流程、數據流程、控制流程、監控流程等方面實現一體化。

模型驅動的系統工程方法

目前我國武器裝備與工業產品的數字化設計與研制水平越來越高，無論是軍工產品，還是汽車家電等行業，基于數字化模型的產品設計是大勢所趨。中航工業集團公司目前正在大力推廣基于模型的系統工程（MBSE）方法，實質上是建立在數字化研制環境下的一種先進的產品開發方法。它以建模方法支持產品系統要求確認、設計、分析、驗證和方案確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有的壽命周期階段。

基于模型的系統工程強調系統設計規范的生成要從“基于文本”向“基于模型”轉變，強調應使用“模型”而不是“文檔”作為系統各階段設計的傳遞語言，減少設計開發和迭代過程中的語言不一致性。在MBSE方法中，系統架構模型是系統開發過程的關鍵要素，通過采用面向對象的、圖形化、可視化的系統建模語言描述系統的底層元素，進而逐層向上建立集成化、具體化、可視化的系統架構模型，增加了對系統描述的全面性、準確性和一致性。

目前應用最廣泛的MBSE方法是IBM公司提出的Rational Harmony系統開發流程，它是MBSE方法的一種典型實踐，如圖1所示。該流程實際由系統設計階段、詳細設計及集成驗證階段兩大部分組成，其分界點是“系統架構基線”的確立。系統設計階段包括：需求分析、系統功能分析、設計綜合三個階段；后一階段包括模塊設計、模塊實現與驗證、模塊集成與驗證、（子）系統集成與驗證等階段。中間的豎條是需求與模型知識庫，用于管理在各個過程中所形成的需求或模型文檔。

模型驅動的可靠性設計分析架構

可靠性設計分析作為產品開發過程一個工程專業，也必須順應產品開發模式的轉變，明確在基于模型的系統工程的產品系統開發模式下可靠性應該開展的主要設計活動及其相關技術需求。

美國國防部在最新頒布的DODI 5000.02《國防采辦指南》中闡述了武器裝備系統工程設計的基本過程，并隨即發布了配套的DOD RAM工作指南，強調應在系統工程模式下開展可靠性工作。美國信息技術協會發布的GEIA-STD-0009《可靠性保證大綱》、RTCA/DO-254《電子產品硬件設計流程》、MIL-A-87244A《航空電子設備完整性大綱》等一系列標準也給出了在系統工程框架下開展可靠性工程的思路。與GJB450等傳統可靠性大綱不同，GEIA-STD-0009等標準將“可靠性設計活動”與“可靠性設計工具”嚴格分開，重點強調了在系統工程研制模式下應該集成開展的“可靠性活動”。其中，與可靠性設計相關的活動包括：

1）明確可靠性要求

理解用戶的功能和任務要求、保障方式、故障定義、環境條件及其他設計約束條件，以產品的各種功能性和非功能性需求為導向明確可靠性要求。

2）在產品開發過程中建立并不斷更新可靠性模型

包括在設計早期建立可靠性模型，用于描述產品功能依賴關系、冗余方式、降級工作模式，以用于可靠性分配、可靠性預計、識別單點故障、明確可靠性關鍵項、與產品設計進行權衡。在壽命期內，每當識別了新的故障模式，修正了環境載荷或設計工藝發生變更時，都需要對可靠性模型進行更新。在設計后期要建立組件的應力模型與損傷模型。

3）漸進地識別壽命周期的載荷條件、故障模式和故障機理

在系統的整個研制過程中，對產品經歷的外部環境載荷（沖擊、機械振動、溫度和濕度等）和工作載荷進行漸進識別；在設計初期就開始考慮系統潛在的失效模式和失效機理；進入詳細設計后，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系統失效模式和失效機理進行分析，并提出糾正措施（降低組件失效發生概率、增加冗余、工作模式降級和故障預測等設計特征）。

4）計劃和開展可靠性評估與驗證

在研制早期制定可靠性確認和驗證計劃，在研制過程中使用分析、建模、仿真與試驗等多種技術手段對可靠性進行持續驗證和評估，確?？煽啃运綕M足用戶要求。

上述可靠性設計活動與產品設計過程集成框架見圖2所示。

在產品需求分析階段，將用戶的相關需求進行分析和整理轉化為初步的可靠性設計要求。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化為可靠性設計要求。目前該方面亟待研究的問題包括復雜作戰系統的可靠性要求及其表征參數，基于最小維修策略的可靠性要求及其參數指標等。

系統功能分析和設計綜合階段，建立可靠性模型，對系統進行設計方案進行定性、定量的分析和評估?？煽啃怨ぷ髦饕腔谙到y的功能分解進行可靠性的分配、預計和優化設計工作。該階段目前需要著力突破的方面包括：以可靠性正向設計為目的的可靠性公理設計技術，以任務可靠性為目標的設計優化方法等。

在系統組件完成詳細設計，并建立數字樣機模型后，以數字樣機和環境載荷為輸入，進行結構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理，根據可靠性分析結果對產品設計進行改進。 目前國內基于故障物理的可靠性關鍵技術已經突破，并在航空型號中推廣應用，對保證高可靠性指標的實現起到了積極支撐作用。目前仍需要突破的問題主要是對一些新材料、新器件和新工藝產品在復雜使用環境下的故障機理尚進行深入研究，如微機電系統（MEMS）和片上系統（SOC）的故障機理及其相關可靠性問題等。

在子系統集成和系統集成驗證階段，以系統的功能模型和組件可靠性信息為輸入，進行系統可靠性分析和評價，對子系統和系統設計進行改進。該方面需要研究的問題包括任務可靠性的驗證評價、高可靠性產品的指標驗證等。

模型驅動的可靠性設計分析技術展望

信息化和數字化環境為模型驅動的可靠性設計分析技術的發展和工程應用提供了條件，其發展方興未艾。依托數字化建模分析的強大能力，為可靠性設計分析工作的進一步“精細化”和“精準化”提供了可能，為可靠性與產品性能設計的無縫協同提供了條件。隨著“中國制造2025”時代的到來，一方面要著力研究突破模型驅動的可靠性設計分析相關的關鍵技術，另一方面，也需要加緊完善相關工程應用平臺和基礎數據庫的建設，以支持工程推廣應用。

（作者單位系中國航空綜合技術研究所）