模型驱动的可靠性设计与分析技术展望

任占勇

可靠性作为产品的固有属性，其重要性不言而喻。在科学技术日益发达的今天，试想人们早上醒来，打开电灯，乘座电梯，出行使用交通工具，办公室打开电脑，联系工作使用电话等等，人们充分享受着现代文明带来的便利。设若这些产品故障频发，可靠性差，那么我们就不是享受而是受罪了；如果产品是武器装备，产品的不可靠在平时训练和作战中造成的后果是难以想象的，甚至可能直接关系到战斗人员的生命安全和战争的胜负。和欧美发达国家相比，我国工业产品和武器装备的可靠性仍然处于一个较低的水平，产品可靠性问题已经成为制约我国由“制造大国”向“制造强国”的瓶颈之一。

产品可靠性设计分析工作面临的挑战和机遇

产品可靠性是设计出来的，但是，目前我国的可靠性设计分析仍然存在与产品性能设计工作“两张皮”的老大难问题，应该说主要结症还在于现有的可靠性技术方法的工程适应性不强，外加基础故障数据的缺乏，造成在产品研制过程中对设计方案潜在薄弱环节的定位不具体或不全面，不得不等到研制后期具备物理样机后，依靠试验的方式来暴露产品设计缺陷并验证可靠性的达标情况。一旦产品可靠性不达标，必然会导致设计反复，造成时间、成本等方面的极大浪费。而且，随着用户需求的不断提高，产品复杂程度越来越高，可靠性要求的设计实现日益困难。因此，探讨新的更加有效的可靠性设计分析技术十分必要和迫切。

可靠性工程和其他专业学科一样，也是由于科学技术的不断进步而推动发展的。例如基础材料、元器件和工艺等技术和质量水平的不断提高为可靠性工程技术的发展奠定了坚实的基础；对产品故障规律认识的不断深化推动着可靠性理论和方法的不断创新；广泛应用的产品信息化和数字化设计手段为可靠性技术的研究和工程应用增效提供了全新的手段。尤其近年来随着产品数字化设计技术逐渐成熟，并在工业领域广泛应用，对产品并行设计和集成制造具有极大支撑作用。数字化设计和制造等先进技术手段的出现彻底改变了传统“试验-分析-改进”（Test，Analysis and Fix， TAAF）的串行研制模式，产品数字样机将逐渐取代研制过程中用于工程分析的实物模型或物理样机，已经成为工业界不可逆转的趋势。产品数字化研制环境的强大建模和仿真能力，为克服现有可靠性技术存在的缺陷、创新可靠性工程技术以及实现可靠性与产品性能的并行设计等，提供了极为重要的基础支撑条件。

基于数字化手段的可靠性设计分析技术作为现有可靠性工程技术的有益补充，预期可以发挥以下重要的作用：

1）为现有可靠性技术工具的应用增效提供手段。现有的可靠性工程技术，限于技术形成时期的认知和工程手段，对产品设计方案以及故障规律进行了很多假设和简化，仅考虑了故障的统计规律性和故障逻辑关系，对产品的故障发生及其传播影响规律涵盖不全。依托现代数字化平台强大建模手段和复杂仿真解析能力，可靠性建模可以从故障的定义出发，建立基于产品性能参量变化的可靠性模型，不仅可以考虑产品组成部分之间的故障逻辑组合关系对产品的影响，而且对产品各组成部分由于参数漂移和性能偏差的综合累积误差引起的全局故障、以及系统接口故障等问题可以全面模拟考察，同时基于产品功能模型故障注入的FMEA方法，不但可以考虑单一故障因素的影响，而且可以灵活地考虑多故障因素的逻辑和时序组合影响等。

2）为可靠性理论创新及应用提供方法路径。现有的可靠性工程技术建立在对产品故障统计的规律及其理论基础之上，可靠性指标的分析与评价是基于产品“黑箱”式的内外场试验结果的统计推断，与产品的设计参数并不直接相关联。工程实际中，除了产品的故障统计数据，大量与可靠性息息相关而并非传统意义上的故障的基础数据（如性能退化，参数漂移等）在现有的可靠性方法体系下未能得到有效的利用，从而失去发现可靠性问题的大量线索；而且基于“故障”信息，是一种事后反馈的方式，本质上不能实现故障的事先预防。利用产品数字化设计环境提供的强大建模与仿真能力，可靠性设计分析可以依托产品的数字样机，进行基于广义应力损伤的故障机理分析以及基于性能参量状态变化的功能可靠性分析，确定设计薄弱环节，实现故障的分析和预防。这些可靠性的新理论和新方法多年来发展受限的一个主要原因是缺乏相应的建模和仿真分析的工具，数字化强大的建模仿真分析能力为开展这些工作提供了保障条件。

3）为可靠性与产品设计一体化提供平台环境。由于现有可靠性设计分析工作的成效不足，可靠性工作实际是遵从“试验-分析-改进”串行的工作模式，尚不能与产品性能设计实现并行协同。现有基于故障统计的可靠性工作项目如可靠性预计、可靠性框图、故障模式影响与危害分析、故障树和可靠性增长等，对于产品可靠性的实现发挥了很大作用，然而更重要的是我们如何通过工程的方法手段对故障进行分析定位，包括清楚产品的主要故障模式、故障机理和故障位置等信息，从而可以采取有效措施防止故障的发生。这些工程方法主要包括热分析、模态与振动分析、疲劳分析以及功能仿真分析等，设计团队采用这些方法可以设计出无故障使用期足够长的产品。这些工作需要投入各种技术资源，需要多个专业的协同工作，应用的工具不应仅仅是传统的可靠性工具，还需借助各种数字化分析工具，如CFD分析工具、FEA分析工具、疲劳分析工具、功能和动态仿真分析工具等。一个优秀的设计团队应从产品设计的早期就开展这些工程分析工作，找出产品设计的薄弱环节并分析其故障机理。建立在数字化设计环境下的基于单一数据源的产品数字化模型为开展可靠性与产品设计一体化工作提供了必要的手段，便于从组织形式、设计流程、数据流程、控制流程、监控流程等方面实现一体化。

模型驱动的系统工程方法

目前我国武器装备与工业产品的数字化设计与研制水平越来越高，无论是军工产品，还是汽车家电等行业，基于数字化模型的产品设计是大势所趋。中航工业集团公司目前正在大力推广基于模型的系统工程（MBSE）方法，实质上是建立在数字化研制环境下的一种先进的产品开发方法。它以建模方法支持产品系统要求确认、设计、分析、验证和方案确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段。

基于模型的系统工程强调系统设计规范的生成要从“基于文本”向“基于模型”转变，强调应使用“模型”而不是“文档”作为系统各阶段设计的传递语言，减少设计开发和迭代过程中的语言不一致性。在MBSE方法中，系统架构模型是系统开发过程的关键要素，通过采用面向对象的、图形化、可视化的系统建模语言描述系统的底层元素，进而逐层向上建立集成化、具体化、可视化的系统架构模型，增加了对系统描述的全面性、准确性和一致性。

目前应用最广泛的MBSE方法是IBM公司提出的Rational Harmony系统开发流程，它是MBSE方法的一种典型实践，如图1所示。该流程实际由系统设计阶段、详细设计及集成验证阶段两大部分组成，其分界点是“系统架构基线”的确立。系统设计阶段包括：需求分析、系统功能分析、设计综合三个阶段；后一阶段包括模块设计、模块实现与验证、模块集成与验证、（子）系统集成与验证等阶段。中间的竖条是需求与模型知识库，用于管理在各个过程中所形成的需求或模型文档。

模型驱动的可靠性设计分析架构

可靠性设计分析作为产品开发过程一个工程专业，也必须顺应产品开发模式的转变，明确在基于模型的系统工程的产品系统开发模式下可靠性应该开展的主要设计活动及其相关技术需求。

美国国防部在最新颁布的DODI 5000.02《国防采办指南》中阐述了武器装备系统工程设计的基本过程，并随即发布了配套的DOD RAM工作指南，强调应在系统工程模式下开展可靠性工作。美国信息技术协会发布的GEIA-STD-0009《可靠性保证大纲》、RTCA/DO-254《电子产品硬件设计流程》、MIL-A-87244A《航空电子设备完整性大纲》等一系列标准也给出了在系统工程框架下开展可靠性工程的思路。与GJB450等传统可靠性大纲不同，GEIA-STD-0009等标准将“可靠性设计活动”与“可靠性设计工具”严格分开，重点强调了在系统工程研制模式下应该集成开展的“可靠性活动”。其中，与可靠性设计相关的活动包括：

1）明确可靠性要求

理解用户的功能和任务要求、保障方式、故障定义、环境条件及其他设计约束条件，以产品的各种功能性和非功能性需求为导向明确可靠性要求。

2）在产品开发过程中建立并不断更新可靠性模型

包括在设计早期建立可靠性模型，用于描述产品功能依赖关系、冗余方式、降级工作模式，以用于可靠性分配、可靠性预计、识别单点故障、明确可靠性关键项、与产品设计进行权衡。在寿命期内，每当识别了新的故障模式，修正了环境载荷或设计工艺发生变更时，都需要对可靠性模型进行更新。在设计后期要建立组件的应力模型与损伤模型。

3）渐进地识别寿命周期的载荷条件、故障模式和故障机理

在系统的整个研制过程中，对产品经历的外部环境载荷（冲击、机械振动、温度和湿度等）和工作载荷进行渐进识别；在设计初期就开始考虑系统潜在的失效模式和失效机理；进入详细设计后，将组件和器件的寿命周期载荷作为工程分析和故障物理分析的输入；使用建模和分析方法对系统失效模式和失效机理进行分析，并提出纠正措施（降低组件失效发生概率、增加冗余、工作模式降级和故障预测等设计特征）。

4）计划和开展可靠性评估与验证

在研制早期制定可靠性确认和验证计划，在研制过程中使用分析、建模、仿真与试验等多种技术手段对可靠性进行持续验证和评估，确保可靠性水平满足用户要求。

上述可靠性设计活动与产品设计过程集成框架见图2所示。

在产品需求分析阶段，将用户的相关需求进行分析和整理转化为初步的可靠性设计要求。如果用户提出的可靠性要求为模糊的可靠性要求，需要将其定量化；如果用户提出的是明确的使用要求，则需要将使用要求转化为可靠性设计要求。目前该方面亟待研究的问题包括复杂作战系统的可靠性要求及其表征参数，基于最小维修策略的可靠性要求及其参数指标等。

系统功能分析和设计综合阶段，建立可靠性模型，对系统进行设计方案进行定性、定量的分析和评估。可靠性工作主要是基于系统的功能分解进行可靠性的分配、预计和优化设计工作。该阶段目前需要着力突破的方面包括：以可靠性正向设计为目的的可靠性公理设计技术，以任务可靠性为目标的设计优化方法等。

在系统组件完成详细设计，并建立数字样机模型后，以数字样机和环境载荷为输入，进行结构可靠性和组件功能的可靠性分析，分析组件潜在故障模式和失效机理，根据可靠性分析结果对产品设计进行改进。 目前国内基于故障物理的可靠性关键技术已经突破，并在航空型号中推广应用，对保证高可靠性指标的实现起到了积极支撑作用。目前仍需要突破的问题主要是对一些新材料、新器件和新工艺产品在复杂使用环境下的故障机理尚进行深入研究，如微机电系统（MEMS）和片上系统（SOC）的故障机理及其相关可靠性问题等。

在子系统集成和系统集成验证阶段，以系统的功能模型和组件可靠性信息为输入，进行系统可靠性分析和评价，对子系统和系统设计进行改进。该方面需要研究的问题包括任务可靠性的验证评价、高可靠性产品的指标验证等。

模型驱动的可靠性设计分析技术展望

信息化和数字化环境为模型驱动的可靠性设计分析技术的发展和工程应用提供了条件，其发展方兴未艾。依托数字化建模分析的强大能力，为可靠性设计分析工作的进一步“精细化”和“精准化”提供了可能，为可靠性与产品性能设计的无缝协同提供了条件。随着“中国制造2025”时代的到来，一方面要着力研究突破模型驱动的可靠性设计分析相关的关键技术，另一方面，也需要加紧完善相关工程应用平台和基础数据库的建设，以支持工程推广应用。

（作者单位系中国航空综合技术研究所）