CN102142114B - 一种复杂产品可靠性数据建模方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂产品可靠性数据建模方法，其步骤如下：1、对企业现有数据进行分类和整合，建立一种“专业-产品族-产品实例-功能-寿命剖面”多视图分层产品数据模型。2、对影响产品可靠性的原因进行系统化的剖析，找到可能影响产品可靠性的内外因素，并根据专家经验给出每种因素的影响因子，找出关键的影响因素及其数据项。3、将前两步骤建立的多视图分层产品数据模型和可靠性影响因素数据模型分别与产品故障数据实体建立映射关系，同时将可靠性设计分析方法与上述实体建立关联关系，建立“多视图产品-可靠性影响因素-可靠性设计活动”语义模型。4、在PDM系统上实施可靠性数据模型，给出继承PDM系统对象模型，在PDM系统上实现可靠性数据模型的方法和步骤。

Description

一种复杂产品可靠性数据建模方法

所属技术领域

本发明提供一种复杂产品可靠性数据建模方法，它涉及一种适合复杂产品研制全过程的可靠性数据建模方法，用于支持复杂产品研制全过程中的可靠性指标论证、可靠性设计分析、可靠性试验评价及可靠性生产保证等，并提供了在产品数据管理(PDM)系统中实现可靠性数据模型的方法。属于系统可靠性技术领域。

背景技术

在复杂产品(如航空航天产品、汽车等)的研制中，可靠性问题逐渐成为复杂产品解决的重要问题。从概念论证直到批量生产，可靠性工作贯穿整个研制过程。但由于传统可靠性技术以统计分析为主，可靠性工程方法手段与性能设计之间缺少直接的联系，可靠性数据的处理和分析相对独立。所以传统的可靠性数据模型是以具体的可靠性设计分析方法为对象，不能实现设计全过程的建模，也不能与性能设计相结合。

随着技术的发展，可靠性设计技术从定性走向定量，从宏观的统计分析走向微观的机理分析，与性能设计的联系日益紧密，客观上要求可靠性设计必须与各设计专业和研制过程充分融合，同时要解决可靠性设计分析数据与性能设计分析数据之间的传递、共享和耦合等问题。而且数字化技术的发展，使产品性能设计能够通过统一的PDM进行管理，但可靠性设计分析数据在PDM平台上还不能系统地体现。因此需要建立面向产品研制全过程的可靠性数据模型，与性能设计数据紧密联系，可有效支持产品研制全过程的可靠性工作，并且该模型能够在PDM系统上实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂产品可靠性数据建模方法，它主要解决的技术问题是提供一种复杂产品研制全过程可靠性数据建模及其在PDM平台上实现的方法，将产品设计过程中产生的各类可靠性数据有机联系起来的机制，并与性能设计紧密联系，进而实现可靠性设计与产品性能设计融合，缩短产品研制周期，降低研制成本。

本发明一种复杂产品可靠性数据建模方法，其步骤如下：

步骤1：将企业现有的产品设计数据按设计专业、产品族/产品实例、产品核心功能、产品使用剖面和后勤剖面等数据实体进行分类和整合，建立数据实体间的映射关系，对数据实体包含的数据项进行系统梳理，并按所属关系进行分层归类，建立一种“专业-产品族-产品实例-功能-寿命剖面”多视图分层产品数据模型，即分别从五个角度对产品特性进行建模。

其中，所述的“专业-产品族-产品实例-功能-寿命剖面”多视图分层产品分类模型是对传统“产品族-产品实例”产品模型的必要扩展，将功能、后勤和任务等对象加入到产品数据模型中，以便对可靠性数据进行建模。其中设计专业是指产品设计过程中涉及到的工程学科专业，可按专业对可靠性设计分析数据进行初步的分类。寿命剖面包括使用剖面和后勤剖面，使用剖面是产品在使用时间内所经历的事件和环境的时序描述，是进行可靠性设计分析的必要输入。后勤剖面是产品在后勤阶段所经历的全部事件和环境的时序描述，也是进行可靠性设计分析的必要输入。层次化分类是一种系统分析方法，其核心是将复杂的研究对象按一定的规则分解为简单的元素，便于分析研究。

其中，所述的数据实体是指客观存在并且可以相互区别的事物，可以用属性来表征其包含的数据项。

其中，所述的建立联系是指建立数据实体之间的联系，这种联系分为3种类型：“一对一”的联系(简记为(1:1)、“一对多”的联系(简记为1:n)、“多对多”的联系(简记为m:n)。

步骤2：从产品本身、使用和维护的人因和环境条件等多种角度，对影响产品可靠性的原因进行系统化的剖析，找到可能影响产品可靠性的内外因素，并根据专家经验给出每种因素的影响因子，找出关键的影响因素及其数据项，建立可靠性影响因素数据模型。

其中，所述的可靠性影响因素是认知故障、控制故障发生，降低故障风险的前提和基础。但由于产品故障发生的原因非常复杂，为此本发明给出了一种系统认识可靠性影响因素的方法，该方法从产品设计技术特性和内部环境特性出发，采用逐级细化的方法，将影响产品可靠性的内外因分解为多种影响要素。

其中，所述的因素影响因子是反映该影响要素对产品可靠性的影响程度的定量值，通过如下方法获得。假设通过分析，产品的可靠性有n个影响要素，每个影响因素分别设定影响因子上限ω_u和下限ω_l，对每个影响要素c_i，如果有明确案例证明会导致产品发生故障的，则影响因子为ω_u，即取上限。其它情况，由m(m≥5)名熟悉该产品的专家进行打分，若因素对产品可靠性影响较大，则给出逼近ω_u的值，反之给出逼近ω_l的值。若第j名专家对第i个要素的评价分数为

，则第i个要素的影响因子

，然后将影响因子进行排序，并取影响因子

的影响因素为关键影响因素。对关键影响因素分为产品自身的技术特性和泛化的载荷特性分别进行建模，产品的技术特性进一步分解为结构特性、工艺特性和材料特性等，载荷特性可分解为具体的载荷，如温度载荷、振动载荷等，可分别建立数据模型。

步骤3：将前两步骤建立的多视图分层产品数据模型和可靠性影响因素数据模型分别与产品故障数据实体建立映射关系，同时将可靠性设计分析方法与上述实体建立关联关系，建立“多视图产品-可靠性影响因素-可靠性设计活动”语义模型。

其中，所述的语义模型是指在可靠性数据建模的过程中，只考虑各个对象之间的语义联系，而不进一步详细阐明实体的数据结构。

令产品视图实体域为V＝{v₁，...v_n}(n＝1，.，5)，其中v₁＝专业视图数据实体，v₂＝产品族视图数据实体，v₃＝产品实例-功能-使用剖面是第i类产品视图数据实体

令可靠性影响因素实体域C＝{c₁，...c_n}，其中c_i是第i类可靠性影响因素数据实体，且

令可靠性设计活动实体域A＝{a₁，...a_n}，其中a_i是第i类可靠性设计活动的数据实体

令功能故障实体为f₁，硬件故障实体为f₂。

则语义模型可体现为

步骤4：对PDM系统的数据对象进行扩展，通过继承PDM系统的基本类，将可靠性数据模型与PDM系统的数据模型融合，在PDM系统实现可靠性数据与产品性能设计数据同步管理。

其中，所述的继承PDM系统对象模型是指利用面向对象技术，由于PDM系统普遍采用面向对象的方式组织数据，其数据集成的原理基本相同，而且商业化PDM系统都具备数据模型开放的特性。本步骤从PDM系统提供的产品结构类、通用文档类等基本类中继承，形成产品族类、故障类、寿命剖面类等。并根据可靠性数据模型增加新的属性和方法。

企业在产品研制过程中，如果产品线发生变化，或实际产品使用过程中出现了新的故障模式和故障机理等，需要对上述模型的相关部分进行调整以体现这种变化。

本发明与现有技术相比其优点如下：

(1)将产品的结构和分类模型、产品的功能、故障的发生条件、故障特性、故障的认知变化、及对故障的控制等要素紧密关联起来，形成了统一的全过程可靠性数据模型。该模型建立了可靠性数据模型和产品设计数据模型的有机联系，有利于将研制全过程的可靠性工作紧密地融入到产品研制过程中。

(2)为产品研制全过程提供了可靠性数据模型，全面提升复杂产品可靠性数据管理能力和可靠性要求论证、可靠性设计分析及可靠性试验评价的能力。可有效降低复杂产品实现高可靠性指标的成本，缩短研制周期。

(3)利用标准化的数据模型，可实现可靠性基础数据和知识在研制全过程的充分积累，有利于发现产品的故障规律、挖掘可靠性设计准则，积累设计经验。为新产品开展可靠性工作提供有效支撑。

附图说明

图1复杂产品可靠性数据建模方法流程

图2可靠性数据与专业、产品族和产品的关联关系

图3产品可靠性作用因素的分解

图4产品可靠性数据基本模型

图5产品故障状态模型

图6方案阶段可靠性数据模型

图7设计阶段可靠性数据模型

图8面向Teamcenter平台集成应用的可靠性数据模型

图中代号说明如下：

图2中

表示产品层次没有展开，表示产品层次已展开。

图8中StrucBI、ProdBI、GenDoc、Document为Teamcenter的基本类。其中ProdBI为产品业务项类、StrucBI为产品结构业务项类、GenDoc为通用文档类、Document为文件类。

具体实施方式

企业针为其产品线构建可靠性数据模型时，本发明提供一种以故障为中心的，演进式的可靠性数据建模方法，其实施过程从企业的可靠性工程需求出发，可分为四个步骤，如图1所示。

本发明一种复杂产品可靠性数据建模方法，其具体实施步骤如下：

步骤1、对企业现有的产品线进行梳理，根据企业各类产品及其组成部分进行层次化分类，分别按产品族和产品实例来组织产品，建立产品族和产品实例之间的关系，明确产品族所属的设计专业，并将产品族划分到不同的设计专业中。一个设计专业对应一个或多个产品族，一个产品族有一个或多个产品实例与之相对应，而且产品族与产品功能、使用剖面和后勤剖面相对应，可靠性数据可分别与专业、产品族、产品实例、产品功能、使用剖面和后勤剖面相关联。以一设计生产导航产品的企业为例，其专业、产品族和产品实例按层次化方法进行分类，专业、产品族和产品之间的关系示例如图2所示，其设计专业分为机械、电子、机电等，产品族包括陀螺、加速度计和舵机等，产品实例为产品族所对应的具体产品，如加速度计产品族对应着JSD-1型加速度计，产品族对应着导航产品的使用剖面、后勤剖面和功能等。

步骤2、对产品可靠性的影响因素进行建模。以导航类产品石英挠性加速度计为例，该产品故障发生条件既包括产品内部因素的作用、也包括系统运行外部因素的作用。如图3所示，系统内部因素主要包括：产品设计技术特性、内部环境特性等，如产品的设计技术特性包括石英摆片、悬臂梁、线圈等结构特性，镀膜工艺等产品工艺特性，石英材料等产品材料特性。产品运行外部因素主要包括：系统运行的任务条件、维修维护条件的作用等等，其中任务条件主要包括任务过程中自然环境条件的作用和人因条件的影响，维修维护条件主要包括预防性维修活动、修复性维修活动和维修人因对产品可靠性的影响。除产品自身的设计技术特性外，其它因素对产品可靠性的影响实质是载荷作用于产品，也就是说可将其它因素泛化为产品承受的载荷，如通过分析，石英加速度计的载荷可泛化为振动载荷(c₁)、温度载荷(c₂)、湿度载荷(c₃)、冲击载荷(c₄)和电磁载荷(c₅)等5种载荷，本例中将影响因子的区间设为(1，10)，对可靠性影响最大设为10，影响较小设为1。有明确试验案例和外场使用案例表明，石英加速度计受冲击载荷影响较大，因此c₄＝10，对其它四种影响因素，利用专家打分法进行影响因子评价，其结果如下表所示，因此振动载荷(c₁)和温度载荷(c₂)为关键影响因素。

步骤3、在产品模型与可靠性影响因素模型的基础上，可建立可靠性数据的语义模型，如图4所示，图中产品族、产品实例及其故障状态，可靠性影响要素为核心的数据实体，可靠性设计分析方法是围绕着产品族或产品实例的故障状态展开的，故障案例是产品实例的一种或多种故障状态的体现，可以从故障案例中提取设计规则，设计规则可泛化为通用可靠性设计准则和专业可靠性设计准则，并分别于产品族和产品实例相对应。图5为对数据实体故障状态的扩展描述，故障状态的主要描述属性包括故障发生条件、故障模式、故障原因和故障影响，其中故障发生条件包含故障发生外部条件和故障发生内部条件两类，故障原因包括故障原因外因和故障原因内因两类。

产品研制过程中，对故障的认识主要分为两大阶段：第一阶段为产品的方案阶段，以对产品的功能故障认知为主；第二阶段为产品的设计阶段，以对产品的硬件故障认知为主。因此对故障实体的描述也根据两个阶段分析进行描述。

1)在产品的方案阶段，对故障问题的认知一般定位到较高级别的产品层次上，其具备的各项功能也处于较高的层次，而且产品层次越高，则对应的功能类型和产品状态越多，描述也越困难；同时产品可能的状态也越多。此外，对载荷的认知也处于宏观阶段。因此在方案阶段，故障的多重性、含糊性都是比较突出的，此阶段可充分利用专家经验和历史信息，缩小故障的分析范围，提高对故障问题的认知程度。本阶段主要是从功能层次上来认知故障模式。本阶段的故障可靠性数据模型，如图6所示。其特点主要体现为产品设计对象映射为功能设计对象，故障条件映射为使用应力和环境应力。

2)在产品的设计阶段，产品的功能需要物理硬件单元来实现，如图7所示。对故障问题的描述由“无形”的功能落到“有形”的结构上，对故障问题的辨识从逻辑层次拓展到硬件结构层次上，对故障问题的判断由功能符合性拓展到参数的符合性上。随着设计的深入，产品的各项功能设计基本确定，并进行工艺和工装的设计，对故障问题的认识可以进一步深入，可以体现在各种载荷的作用下，零部件结构、材料、工艺等机理性问题。本阶段主要是从机理和位置上来认知故障模式。

步骤4、以德国西门子公司的PDM系统Teamcenter为例，该步骤介绍如何在PDM系统下实现该数据模型。按照Teamcenter客户化的实施方法学，实现上述数据模型需要扩展PDM系统的数据层，对象管理框架层(对象模型及对象服务)以及界面层，其核心是对基础类及关系的扩展。具体的实施过程如下：

1)定义类结构。参照可靠性模型框架，使用Teamcenter客户化开发语言MODel(Metaphase Object Definition Language)，定义功能、故障等概念对应的类结构，包括类、属性、关系及方法。

2)定义界面。按照已定义的类结构，使用MODeL定义菜单、选项、对话框，属性列表等，并通过DWE(Dialog Window Editor)图示化编辑已定义的界面。

3)编写方法。利用C语言调用API函数实现类结构中定义的方法(Message)。

4)编译数据字典。利用MODel编译命令将已编译的类结构更新到对象字典中

5)扩展数据库。利用Teamcenter提供的映射命令Updatedb将新加入的对象自动更新到Oracle数据库。

利用上述步骤在PDM系统中建立图8所示的各数据实体类，即可建立面向对象的多视图数据模型。图8采用了Express-G的表达法描述数据实体类及它们之间的关系。利用StruBI、ProdBI、GenDoc、Document等基本类，通过类的继承来实现故障实体相关类，并进行方法和属性的扩展。

Claims (7)

1.一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：其步骤如下： 

步骤1：将企业现有的产品设计数据按设计专业、产品族/产品实例、产品核心功能、产品使用剖面和后勤剖面数据实体进行分类和整合，建立数据实体间的映射关系，对数据实体包含的数据项进行系统梳理，并按所属关系进行分层归类，建立一种“专业—产品族—产品实例—功能—寿命剖面”多视图分层产品数据模型，即分别从五个角度对产品特性进行建模； 

其中，在步骤1中所述的数据实体是指客观存在并且相互区别的事物，用属性来表征其包含的数据； 

步骤2：从产品本身、使用和维护的人因和环境条件多种角度，对影响产品可靠性的原因进行系统化的剖析，找到可能影响产品可靠性的内外因素，并根据专家经验给出每种因素的影响因子，找出关键的影响因素及其数据项，建立可靠性影响因素数据模型； 

步骤3：将前两步骤建立的多视图分层产品数据模型和可靠性影响因素数据模型分别与产品故障数据实体建立映射关系，同时将可靠性设计分析方法与上述实体建立关联关系，建立“多视图产品—可靠性影响因素—可靠性设计活动”语义模型； 

步骤4：对PDM系统的数据对象进行扩展，通过继承PDM系统的基本类，将可靠性数据模型与PDM系统的数据模型融合，在PDM系统实现可靠性数据与产品性能设计数据同步管理。 

2.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤1中所述的“专业—产品族—产品实例—功能—寿命剖面”多视图分层产品分类模型是对传统“产品族—产品实例”产品模型的必要扩展，将功能、后勤和任务加入到产品数据模型中，以便对可靠性数据进行建模；其中设计专业是指产品设计过程中涉及到的工程学科专业，按专业对可靠性设计分析数据进行分类；寿命剖面包括使用剖面和后勤剖面，使用剖面是产品在使用时间内所经历的事件和 环境的时序描述，是进行可靠性设计分析的必要输入；后勤剖面是产品在后勤阶段所经历的全部事件和环境的时序描述，也是进行可靠性设计分析的必要输入；层次化分类是一种系统分析方法，其核心是将复杂的研究对象按预定的规则分解为简单的元素，便于分析研究。 

3.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤1中所述的建立联系是指建立数据实体之间的联系，这种联系分为3种类型：“一对一”的联系、“一对多”的联系和“多对多”的联系。 

4.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤2中所述的可靠性影响因素是认知故障、控制故障发生，降低故障风险的前提和基础；它给出了一种系统认识可靠性影响因素的方法，该方法从产品设计技术特性和内部环境特性出发，采用逐级细化的方法，将影响产品可靠性的内外因分解为多种影响要素。 

5.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤2中所述的因素影响因子是反映该影响要素对产品可靠性的影响程度的定量值，通过如下方法获得：假设通过分析，产品的可靠性有n个影响要素，每个影响因素分别设定影响因子上限ω_u和下限ω_l，对每个影响要素c_i，如果有明确案例证明会导致产品发生故障的，则影响因子为ω_u，即取上限；其它情况，由大于或等于5名熟悉该产品的专家进行打分，若因素对产品可靠性影响大，则给出逼近ω_u的值，反之给出逼近ω_l的值；若第j名专家对第i个要素的评价分数为

则第i个要素的影响因子

然后将影响因子进行排序，并取影响因子 

的影响因素为关键影响因素；对关键影响因素分为产品自身的技术特性和泛化的载荷特性分别进行建模，产品的技术特性进一步分解为结构特性、工艺特性和材料特性，载荷特性分解为具体的载荷，分别建立数据模型。 

6.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤3中所述的语义模型是指在可靠性数据建模的过程中，只考虑各个对象之间的 语义联系，而不进一步详细阐明实体的数据结构；令产品视图实体域为V＝{v₁，...v_n}，n＝1，..，5，其中v₁＝专业视图数据实体，v₂＝产品族视图数据实体，v₃＝产品实例—功能—使用剖面是第i类产品视图数据实体；令可靠性影响因素实体域C＝{c₁，...c_n}，其中c_i是第i类可靠性影响因素数据实体，且

令可靠性设计活动实体域A＝{a₁，...a_n}，其中a_i是第i类可靠性设计活动的数据实体；令功能故障实体为f₁，硬件故障实体为f₂，则语义模型体现为

i≠j。 

7.根据权利要求1所述的一种复杂产品可靠性数据建模方法，其特征在于：在步骤4中所述的继承PDM系统对象模型是指利用面向对象技术，由于PDM系统普遍采用面向对象的方式组织数据，其数据集成的原理相同，而且商业化PDM系统都具备数据模型开放的特性；步骤4从PDM系统提供的产品结构类、通用文档类中继承，形成产品族类、故障类、寿命剖面类，并根据可靠性数据模型增加新的属性和方法；企业在产品研制过程中，如果产品线发生变化，或实际产品使用过程中出现了新的故障模式和故障机理，需要对上述模型的相关部分进行调整以体现这种变化。 

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