系统工程导论第十章系统可靠性.ppt

❖ 3．故障时间
❖ (1)平均故障前时间(mean time to fault， MTTF)。是不可修复的产品在发生故障前时间的均值。 它是在规定的条件下和规定的时间内，产品的寿命 单位总数与故障产品总数之比。
❖ (2)平均故障间隔时间(mean time between faults，MTBF)，是可修复产品在相邻两次故障之间 的平均工作时间。
❖ 对于电子元器件而言，随着环境变化、电源电 压变化等，不仅有漂移性变化，还伴随着储存和使 用时间在进行着不可逆的特性参数值退化的变化。
❖ 4．环境防护设计
❖ 环境条件就是指产品在储存、运输和工作过程 中可能遇到的一切外界影响。环境条件对产品的可 靠性有着重大的影响。如：温度、湿度、霉菌、盐 雾、尘埃、电磁干扰等。所以要进行抗干扰设计、 “三防”设计等。
造、使用和维修的整个过程之中。可靠性技术是一门综合性的工程技术，
是系统工程的一个重要组成部分。
❖ 10．2．2 系统可靠性的含义
❖
系统可靠性指的是系统在规定条件下和规定时间内完成
规定功能的能力。
❖
狭义上讲，可靠的反义就是容易发生故障。尽可能设计
与制造不发生故障的系统，这是可靠性工作的目的，而与此
有关的一切工程方法就是可靠性技术。产品和系统在使用过
❖ 为了提高系统可靠性，从设计角度还可采取以 下措施。
❖ 1．优选元器件
❖ 在系统设计时，根据给定的环境条件和可靠性 要求，尽可能采用已经正式投入生产的、工艺上成 熟的元器件；尽可能采用已经标准化的元器件，并 且尽可能减少元器件串联环节；尽可能采用高可靠 性的新技术成果，如超微型电子管、固体电路等。
❖ 4．冷储备
❖ 如图10-19所示，两个(或更多个)相同元 件A、B并联但不同时工作，当工作元件失效 时，系统立即切换到备份元件上，备份元件 开始工作，这样，系统的功能得以继续维持。 这种储备方式称为冷储备，即非工作储备。 切换动作可以手动或自动，但是都需要有检 测故障的传感器C与切换开关K。
❖ 10．4．2 提高系统可靠性的其他技术措施
❖
1．基本形式之一
❖
如图10-11所示，系统由m个子系统并联构成，第i个子系统由ni个元
件串联组成，元件(i，j)的可靠度为Rij，子系统i的可靠度为Ri ，整个
系统的可靠度为R。
❖ 2．基本形式之二
❖ 如图10-12所示，系统由n个子系统串联构成，第j个子 系统由mj个元件并联组成，元件(i，j)的可靠度为Rij，子 系统i的可靠度为Ri ，整个系统的可靠度为R。
❖ 10．4 系统可靠性设计
❖
本节介绍实现系统可靠性指标的一些技术措施，主要介
绍冗余技术。至于如何将规定的系统可靠性指标合理分配给
子系统与元器件，则称之为系统可靠性分配问题，我们放在
下一节介绍。
❖ 要提高系统的可靠性，就有可能导致系统的性能降低、 成本增加，因此在进行系统可靠性设计时，必须对系统的性 能、成本、可靠性及维护使用条件等因素全面考虑，综合平 衡。例如为了提高系统的可靠性，往往要增添备份元器件， 这就会增加系统的尺寸与重量，增加系统的生产成本，但是， 系统的运行费用往往会降低从而补偿增加的开支。
有些系统并非要求一次不间断工作时间越长越好，那么，可
以利用工作间歇时间维修；或者即使发生故障，但能及时修
❖ 如果仅当组成系统的全部元件都失效时， 整个系统才发生故障，这种系统就称为并联 系统。
❖ 10．3．3 (m，n)并联结构系统与数学模型
❖ 如果系统S由m个可靠度相同的分系统组 成并联结构系统，其中有n个分系统正常时系 统才正常工作，称此系统为(m，n)并联结构 系统
❖ 10．3．4 串并联复合系统
如此。国外经验表明，在研制中投入1美元改进维修性，可望带来全寿命
周期费用减少50～100美元的效益。重视可靠性工作，给予经费的支持，
效果十分明显。
❖
现在，在各种复杂系统的设计与制造中，都把可靠性作为一项重要
的指标来考虑。可靠性指标与性能、成本、时间等技术经济指标同时作
为评价系统优劣的主要指标。可靠性工作贯穿在系统的规划、设计、制
❖ 要注意的是，这里所讲的模型是可靠性结构模 型，不能混同于电器连接的物理模型。如图10-8(a) 所示是一个LC并联振荡回路，不论L或C，任何一个 失效，都导致回路失效，因而虽然在电器连接上是 两者并联，但就可靠性结构模型而言，它是串联系 统，如图10-8(b)所示。
❖ 10．3．2 并联系统
❖
图10-6表所示的是以θ/t为横坐标，根据式(10-13)画出的可靠度曲
线。由图可知，要得到较高的可靠度，θ必须是工作时间t的许多倍。而
当倍数θ/t大于一定数值以后，可靠度R的增加会很缓慢。
❖ 4．维修度与修复率
❖ 所谓维修度，是指可修复产品在规定条件下维 修时，在规定时问内完成维修工作的概率，它是时 间的函数，记为M(t)。
❖ 1．可靠度
❖ 系统的可靠度指的是系统在规定条件下和规定 时间内完成规定功能的概率。它是时间的函数，记 为R(t)，O≤R(t)≤1。
❖ 2．故障率或失效度
❖ 故障率与失效度属于同一性质的概念。在我国， 对于整机、部件等系统用故障率，对于元器件则用 失效度，两者的总称仍用故障率一词。故障率与失 效度均用λ(t)表示。
❖ 例10-4 设有复合系统Ⅰ、系统Ⅱ如图10-13所示， 各个元件的可靠度均为Re＝e-λt，试分析系统的可 靠度与平均无故障工作时间。
❖ 0．3．5 桥路系统
❖ 桥路系统如图10-16所示，它不能分解为 串联-并联子系统来进行可靠度计算。我们考 虑图10-17所示的桥式开关网络，各个开关闭 合的概率等于图10-16中对应元件的可靠度， 那么，在图10-17中从端点I到端点O形成通路 的概率之和就等于图10-16的系统可靠度。计 算过程如表10-1所示。
❖ 就是说，当λ(t)为常数时，R(t)服从指 数分布，如图10-4所示。
❖ 故障率分为瞬时故障率和平均故障率，单讲故障率时一般是指瞬时故 障率，平均故障率定义为
平均故障率
某段时间内的故障数 该段工作时间
❖ 图10-5为可维修产品的典型故障率曲线(称为 浴盆曲线)，按其时间阶段，分为早期故障期、偶然 故障期和耗损故障期三个阶段。
❖ 2．降额设计
❖ 电子设备可靠性降额设计，主要是指构 成电子设备的元器件使用中所承受的应力(主 要是电应力和温度应力)低于其设计的额定值， 以达到延缓参数退化，延长工作寿命，提高 使用可靠性的目的。
❖ 施加在电子元器件上的电应力、热应力 大小直接影响电子元件的失效率高低。
❖ 3．动态设计
❖
5．缓冲减震设计
❖
电子设备装载在诸如飞机、舰船、装甲车等平台上，在
它整个寿命周期内将经历各种机械环境，如振动、冲击等，
所以要进行缓冲减震设计。
❖
6．热设计
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温度对电子产品可靠性的影响很大。热设计是影响电子
产品的性能和可靠性的重要因素之一，热设计技术得到广泛
应用。
❖
7．维修措施
❖
采取维修措施可以提高系统的可靠性，这是不言而喻的。
❖
1994年版ISO 9000把R．M．S．T．不叫广义可靠性，而是取了一个
名词Depend Ability(可信性)。可信性是用于表述可用性及其影响因素
(可靠性、维修性和保障性)的综合术语，仅用于非定量的总体描述。这
个概念是随着科学技术的发展，尤其是军事技术的发展而发展起来的。
❖
可信性的概念更加体现了系统可靠性的思想，其目标是：提高产品
作，提高人的素质，提高一个集体的和谐程度，这是最重要的。同时，
也要有合理的结构安排和必要的制度保证。
❖ 10．2 系统可靠性的基本概念
❖ 10．2．1 从联合国安理会表决制谈起
❖
联合国安全理事会的决议必须由5个常任理事国一致通过方为有效，
每一国都拥有否决权。从可靠性理论的角度来看，这是一个串联系统，
❖ 10．4．1 冗余技术
❖ 所谓冗余技术就是采用并联备份元件， 设计出有储备的系统，从而提高系统可靠性。 依据备份元件参加工作的时机，储备可以分 为热储备(即工作储备)与冷储备(即非工作储 备)两大类，而热储备又有几种不同情况。
❖ 1．并联热储备
❖ 并联热储备采用图10-9所示的并联系统。 这是将几个元件并联起来同时工作，执行同 一功能，只要不是所有元件都发生故障，系 统就不会发生故障。前面已经说过，当有两 个相同元件组成并联热储备系统时，其平均 无故障工作时间θ可以提高50％。
维护费用，曲线Ⅰ和Ⅱ之和为全寿命周期费用。
❖ 所谓产品的寿命周期是从产品开始构思到最终 将产品淘汰之间的时间区间。寿命周期分为6个阶 段：：
❖ (1)概念和定义阶段； ❖ (2)设计与开发阶段： ❖ (3)生产阶段； ❖ (4)安装阶段； ❖ (5)运行和维修阶段； ❖ (6)处理阶段。
❖ 10．2．3 可靠性指标的特征量
❖
❖
A
能工作时间U 能工作时间U 不能工作时间D
(10-19)
❖ 这相当于运转率。
❖ 10．3 系统可靠性模型
❖ 由多个元器件组成的系统，从可靠性技 术角度可以分为不可修复系统与可修复系统， 无储备系统与有储备系统，串联系统、并联 系统、复合系统与桥路系统等。
❖ 10．3．1 串联系统
❖ 如果组成系统的任一元件失效都会导致整个系 统发生故障，这种系统就称为串联系统。这里所谓 串联是指功能关系而不是指元件连接的物理关系。
❖ 5．维修时间
❖ 维修工作分为预防性检修与事后维修。预防性 检修是按照规定的程序，有计划地进行定点检查、 试验和重新调试等工作，其目的在于使故障尽可能 不在使用中发生，即防患于未然；所谓事后维修是 在故障发生后进行的维修。
❖ 6．可用性
❖ 可用性是指可修复产品在某特定时刻维 持其功能的概率，记为A，由下式计算：
第十章 系统可靠性 10．1 引言 10．2 系统可靠性的基本 概念 10．3 系统可靠性模型 10．4 系统可靠性设计 10．5 系统可靠性分配
❖ 10．1 引言
❖
本章介绍系统可靠性(system reliability )，目的在于加深理解
系统概念。我们将会看到，同样的几个元件，组成不同结构的系统，其
可以用如图10-1所示的框图表示。
❖
由此可知，串联系统的工作效率是非常低的。随着系统中元件数目
的增多，串联系统的可靠性迅速降低，甚至使系统不能正常工作，丧失
其功能。
❖
据统计，美军近40年来装备维修费约占美国国防费用的14．2％，使
用维修费约占装备寿命周期费用(LCC)的2/3。在我国和其他国家也大体
程中需要维护修理，以保持其可靠性。维修性是同狭义的可
靠性共生的概念，它表示对于可修复系统进行维修的难易程
度或性质。一般来说，系统在维修时是要停止工作的，所以
希望维修时间要短，维修工作要简易。
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从广义上讲，可靠性工程已经扩展到维修性工程、保障
性工程、测试性工程，简称R．M．S．T，即广义可靠性的概
念。
系统可靠性是大不一样的。就是说，对于系统S＝{E，R}而言，关系的集
合R比要素的集合E更重要，系统工程或者管理工作的意义主要在于协调
各种关系，从而提高系统的总体功能。
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对于社会系统而言，因为人具有主观能动性和复杂性，极大地区别
于物理的元器件，其可靠性也要复杂得多。但是，“关系的集合R比要素
的集合E更重要”这句话不但依然成立，而且更加重要得多。做好人的工
的可用性、提高产品的任务成功性、减少维修人力和减少保障费用等，
即从产品的研制、生产、试验、使用、维修及保障都要与其他各项工作
协调，以取得产品最佳的效能与全寿命周期费用。
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研究系统可靠性的目的之一是要考虑经济性，亦即全寿命周期费用，
如图10-2所示。其中曲线I为系统研制和购置费用，曲线Ⅱ为系统的使用、
❖ 2．表决式储备
❖ 这也是一种热储备，如图10-18所示，系 统中由三个(或更多个)相同元件A、B、C并联， 执行同一功能，但要在汇合点D实行多数表决， 认为多数是正确的，与之不同的元件则被认 为是错误的，必须检修。
❖ 3．(r，n)储备系统
❖ 以n个相同元件并联，只要其中r个元件 工作便能正常工作的系统，则称为(r，n)储 备系统，又称为“r出于n”系统。它与表决式 储备系统的区别在于，r不必是n中的多数。 所以，表决式储备系统其实是(r，n)储备系 统的特例。