產(chǎn)品系統可靠性的原理與執行

　　今年年初國家質(zhì)檢總局發(fā)布《家用汽車(chē)產(chǎn)品修理、更換、退貨責任規定》，廣大汽車(chē)企業(yè)、汽車(chē)零部件供應商企業(yè)，乃至其他更多的機械、電子產(chǎn)品企業(yè)都再次意識到產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的重要程度。以前可有可無(wú)的產(chǎn)品可靠性分析已經(jīng)不再是個(gè)錦上添花的擺設了，它已經(jīng)成為企業(yè)持續經(jīng)營(yíng)的基本條件之一。

　　汽車(chē)以及汽車(chē)的核心零部件(如發(fā)動(dòng)機等)是一個(gè)復雜的系統，單個(gè)零部件的穩定可靠并不能代表系統工作的穩定可靠。因此，在從研發(fā)到生產(chǎn)的整體過(guò)程中，既需要繼續關(guān)注單個(gè)零部件的質(zhì)量可靠性改進(jìn)，同時(shí)更需要重視提升子系統乃至整車(chē)系統的質(zhì)量可靠性。

　　這里所謂的系統，是指能夠完成某一特定功能，由若干個(gè)彼此有聯(lián)系而且又能相互協(xié)調工作的單元組成的綜合體。由于客戶(hù)需求的不斷更新和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多產(chǎn)品的復雜程度越來(lái)越高，由此導致產(chǎn)品發(fā)生故障的可能性也越來(lái)越大。因此，可靠性工程師需要研究清楚組成系統的各個(gè)零部件之間的表面物理關(guān)系和背后邏輯關(guān)系，以及每個(gè)零部件發(fā)生故障的規律及其對系統性能的影響程度，最終構建出系統的壽命預測模型。

　　關(guān)于系統可靠性的分析原理，主要涉及到兩個(gè)：可靠性框圖(Reliability Block Diagram)和可靠性數學(xué)模型(Reliability Mathematical Model)。一般來(lái)說(shuō)，系統可靠性分析模型可以分為三類(lèi)：串聯(lián)系統(Series System)，并聯(lián)系統(Parallel System)，混合系統(Mixed System)，分別如下圖所示。

　　簡(jiǎn)單串聯(lián)系統及其可靠性函數示意圖

　　簡(jiǎn)單并聯(lián)系統及其可靠性函數示意圖

　　簡(jiǎn)單混合系統及其可靠性函數示意圖

　　在實(shí)際工作中，系統可靠性的分析工作要比上述的原理說(shuō)明要復雜很多。因為需要我們研究系統可靠性的對象往往是個(gè)由成百上千個(gè)單元構成的混合系統，而且系統中的每個(gè)單元的可靠性也往往是一個(gè)包含很多晦澀難懂的統計學(xué)原理知識的可靠性函數。這使得很多機械工程、電子工程背景出身的工程師一籌莫展，企業(yè)運用和推廣可靠性分析的工作變得知易行難，效率低下，可靠性工作應有的價(jià)值無(wú)法在執行層面發(fā)揮出來(lái)。

　　專(zhuān)業(yè)統計質(zhì)量分析軟件JMP中的“可靠性/生存”模塊可以使系統可靠性分析變得異常簡(jiǎn)單，整個(gè)工作過(guò)程就像兒童用樂(lè )高積木搭建高樓大廈一樣輕松愉快。下面通過(guò)一個(gè)比較成熟的飛行器系統的可靠性模型分析案例，可以讓我們切實(shí)體驗到運用先進(jìn)分析工具，提高可靠性分析效率的成就感。

　　如下圖所示的單翼螺旋槳飛機由Engine(發(fā)動(dòng)機)、Cockpit(座艙)、Wing(機翼)、Control(控制面板)、Port(左舷)和Starboard(右舷)等關(guān)鍵單元組成，每個(gè)關(guān)鍵單元，如Engine，又由Motor(電機)、Fuel(燃料系統)、Cooling(冷卻系統)和Propeller(推進(jìn)器)等零部件組成。如何能夠準確而又高效地估算出這個(gè)復雜系統的可靠性呢?

　　在JMP軟件的“可靠性方框圖”平臺上，可靠性技術(shù)人員實(shí)施這個(gè)分析工作就會(huì )變得十分得心應手。只要點(diǎn)擊鼠標，拖拉基本、串行、并行、結點(diǎn)和k out of n等不同的設計元素按鈕，工程師就能在幾分鐘內構建出眾多零部件之間的邏輯模型。如果系統包含子系統、二級子系統等多個(gè)層次，也可以通過(guò)調用庫元素來(lái)實(shí)現多層次的嵌套設計。下圖就是一個(gè)基于JMP軟件繪制的飛行器系統的可靠性功能框圖。

　　在正確搭建起飛行器系統可靠性的基本框架后，更重要的事情就是綜合所有已知的元件可靠性分布量化模型，對整個(gè)系統的可靠性做出統一有效的預測。

　　這時(shí)候的技術(shù)難點(diǎn)主要體現在需要通過(guò)一連串繁瑣的可靠性數學(xué)模型運算，計算出一系列技術(shù)參數來(lái)反映系統發(fā)生故障的風(fēng)險幾率，如可靠度(Reliability)、累積失效概率(Cumulative Failure Probability)、失效概率密度(Failure Probability Density)、危險率(Hazard Rate)、分位數壽命(Quartile Lifetime)，以及元件重要性系數(Component Importance)等等。整個(gè)運算過(guò)程十分復雜，哪怕調用傳統的可靠性分析程序也要花費大量的時(shí)間，其中任意一個(gè)小小的疏忽都會(huì )導致全盤(pán)的失誤，這使得很多人對此望而卻步。

　　幸運的是，一向推崇“探索性交互式數據發(fā)現”的JMP軟件，用其特有的預測刻畫(huà)器(Prediction Profiler)解決了困擾可靠性工程師們多年的問(wèn)題。因為在預測刻畫(huà)器中，工程師只要通過(guò)菜單界面設定了元件的可靠性參數，系統可靠性的模型就可以通過(guò)生動(dòng)直觀(guān)的圖形界面(見(jiàn)下圖)來(lái)展現了。

　　在這個(gè)圖形界面中，我們用鼠標指點(diǎn)江山，就可以隨心所欲地預測飛行器在產(chǎn)品保修期內的質(zhì)量表現，可以身臨其境地體驗冗余模塊的增減對飛行器故障率的影響，可以翔實(shí)精準地事先發(fā)現飛行器弱點(diǎn)并加以彌補改進(jìn)，可以直截了當地比較不同的系統設計對飛行器帶來(lái)的不同效果等等。

　　總之，工欲善其事，必先利其器。在現代化信息技術(shù)(如JMP軟件)的協(xié)助下，汽車(chē)、機械、電子等行業(yè)的產(chǎn)品系統可靠性的分析研究將不再是一件難事了。