CN104268338A - 一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法，它有三大步骤：1)产品构型视图构建。包括定义和划分产品的数据层次，构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系。2)定义故障信息及其影响传递关系，并以图形化的形式显示故障影响传递关系。包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度、故障模式危害度，以及产品不同节点间的故障影响传递关系，并以图形化的形式显示产品的故障信息，形成不同产品节点间的故障影响传递关系图。3)分析评价故障间的影响传递关系。在故障影响传递关系图形成后，利用图形模型和数学模型评价故障影响传递关系，找到关键的产品节点和故障模式予以关注。

Description

一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法

技术领域

本发明涉及一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法，适用于应用计算机可视化分析和评价故障影响传递关系的方法，属于计算机辅助设计技术领域。

背景技术

随着信息技术的发展，产品设计手段也逐步从基于文档的设计模式转向基于模型的设计方法，产品的功能性能要求与设计结果在设计过程中的某一特定时刻，都表现为相应的模型。而产品设计过程本身即可看作随时间演变的模型演化过程。

可靠性作为产品的重要特性之一，必须与功能性能同步设计、综合优化。在复杂产品可靠性设计过程中，设计师需要通过不断分析发现潜在故障，并采取相应措施对故障进行消减，以改进和提高产品的可靠性，使其满足相应的指标要求，因此故障是可靠性设计的核心。在传统可靠性设计方法中，缺乏模型化的故障描述方法，如故障模式影响分析(Failure Mode andEffect Analysis，FMEA)方法主要通过表格人工分析故障之间的影响关系，方法本身对于故障逻辑关系的表达能力较差。而对于庞大复杂的产品体系，具有故障数量多、影响关系复杂、分支多等特点，仅靠表格方式人工进行故障间的传递关系分析不仅要耗费大量的时间精力，也容易遗漏，致使产品存在严重的故障隐患。

为此，在产品故障分析时，在统一的产品模型基础上，本发明提出一种基于可视化模型的故障影响传递关系分析方法，并面向可靠性指标实现给出相应的关键故障和重要故障评价模型。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于可视化的故障影响传递关系分析方法，并给出相应的评价模型，为可靠性分析过程提供一种形成故障影响传递关系网的分析方法，旨在解决庞大复杂产品系统交联关系复杂，故障数量多、影响传递关系复杂、分支多等问题，给出准确有效的传递关系网，以便设计师可以根据分析结果快速找出设计薄弱环节，实施改进以提升产品可靠性水平。

本发明一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法，它包含以下步骤：

步骤一：产品构型视图构建。

包括定义和划分产品的数据层次，构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系。

(1)定义和划分产品节点的数据层次，包括装备、系统、分系统、装置、机组、单元体、组件、部件、元器件，装备为第1层，系统为第2层，以此类推，元器件为第9层，在后续故障影响传递关系图中将会从元器件级到装备级由低到高依次显示各层次。

(2)构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系。第i层的第j1个产品节点以表示，其中表示当前产品节点，表示当前产品节点所属的父节点，下标中的(i)表示产品的层次，层次越低i值越大，i∈[0,9]，j₁、j₂∈[0,+∞)，i、j₁、j₂均为整数。根节点为J₍₀₎₀。

步骤二：定义故障信息及其影响传递关系，并以图形化的形式显示故障影响传递关系。

包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度、故障模式危害度，以及产品不同节点间的故障影响传递关系，并以图形化的形式显示产品的故障信息，形成不同产品节点间的故障影响传递关系图。

(1)定义各产品节点的故障信息，包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度和故障模式危害度。产品节点包含K个故障模式，其中第k(k∈[0,K])个故障模式以表示，下标中的[(i)j₁]表示故障模式所属的产品节点，i∈[0,9]，j₁∈[0,+∞)，i、j₁均为整数。故障模式的严酷度为α_k，危害度为γ_k，α_k∈[1,4]，为整数，γ_k∈[0,+∞)。每个故障模式的具体显示内容为“模式(α_k，γ_k)”。产品节点的故障信息以矩形框表示，矩形框共K+1行，第一行显示产品节点信息，显示内容为“产品节点(α，γ)”，其中α为产品严酷度，γ为产品危害度，α＝max{α_k}，γ＝∑(γ_k)；后K行显示该产品节点下所有的故障模式信息，每行的故障模式具体显示的内容为“模式(α_k，γ_k)”；每个故障模式所在的矩形框左右两侧各有一个输入端口和一个输出端口。

(2)定义故障影响传递关系，形成故障影响传递关系图。如果一个产品的故障影响并导致另一产品故障的发生，称这个产品故障与另一产品故障之间有影响传递关系，在故障影响传递关系图中以箭头表示。

在产品的故障影响传递关系图中，左侧显示产品的树状构型，选中其中任何一个产品节点，可以将节点拖动到画布中，节点将以上一步中定义的矩形框的形式出现在故障影响传递关系图中。如果一个产品的故障模式影响并导致另一产品故障的发生，可以从产品树中将两个产品节点都拖动到画布中，两个产品节点及其故障模式的矩形框都被添加到故障影响传递关系图中，从第一个故障模式的输出端口绘制一个箭头指向被影响的故障模式的输入端口，即形成产品不同节点间的故障影响传递关系。

在产品的故障影响传递关系图中，可以添加多个产品节点及其故障模式，绘制多条代表故障影响传递关系的箭头，故障模式可以在同层节点间传递，也可以往高一层次传递、跨层次向高层次传递，直至产品的根节点为止，形成故障影响传递关系网。图中各层次之间以直线隔开，跨层次传递时无故障模式的层次显示空白。

步骤三：分析评价故障间的传递关系。

对于复杂产品，耦合故障可能会非常多，实际工程中不可能逐个消减耦合故障，而应该在众多耦合故障集合中确定共同的故障予以关注，将其消除或将其发生概率和影响严重程度降低到可接受范围内，从而保证产品的可靠性要求。故障发生后，将通过故障间的影响传递关系作用传递到其他故障。如果受到影响而导致故障发生的故障模式越多，说明引发故障的故障模式越关键。基于这些认识，可以分析评价故障间的影响传递关系，找出关键的产品节点和故障模式予以关注。

(1)评价图形设计。对故障模式间的传递关系做无向化处理，将故障影响传递关系网简化为故障模式间的无向网络。每个故障模式至少有一条代表传递关系的边(无传递关系的故障模式及产品节点不显示在故障影响传递关系网中)。记无向网络中故障模式的边的数目为节点的“度”，度越小的故障模式对其他故障模式的影响越小，度越大的故障模式耦合故障越集中。逐步剥离度小的故障模式，留下度大的故障模式。最终找到需要的关键故障模式，即为产品设计改进的关键重要环节。

(2)数学评价模型。如果一个故障模式通过影响传递关系不断向上传递，则会在可视化图形中形成一条故障影响传递链，记为N。每条故障链中的故障模式数记为│N│，│N│∈[0,+∞)。

对每个形成故障影响传递链的故障模式，定义其影响度

I＝a×β×│N│×L

其中，a为该故障模式的严酷度等级等价值，严酷度等级越高值越大。严酷度等级为Ⅰ级的等价值为4，Ⅱ级的等价值为3，Ⅲ级的等价值为2，Ⅳ级的等价值为1。β为该故障模式的发生概率，β∈(0,1)。L为该故障所在的故障链影响的最高层次，层次越高L值越大。装备级L值为10，系统为9，分系统为8，以此类推。

分析故障模式的影响度，找出关键故障模式。当I值越大，表明故障模式的影响度越大，应该在设计中尽早解决。

本发明通过以上步骤给出一种图形化的故障影响传递关系的分析方法，并给出相应的评价模型，可以有效解决庞大复杂产品系统交联关系复杂，故障数量多、传递关系复杂、分支多等问题，给出准确有效的影响传递关系网。其优点在于：①可以通过产品构型构建和产品节点故障模式的可视化模型构建产品节点间的故障影响传递关系网②以图形化的形式清晰直观地显示产品构型和节点间故障的影响传递关系③可以根据故障影响传递关系分析评价出关键产品节点和关键故障模式。

附图说明

图1为本发明中所述方法的整体架构框图

图2为本发明中产品构型视图构建的示例图

图3为本发明中显示选定产品节点的故障信息的图形化表征示例图

图4为本发明中构建故障影响传递关系网的示例图

图5为本发明中分析关键产品节点的解析示意图

图中符号说明如下：

图2、3、4中的表示第i层的第j₁个产品节点，其中表示当前产品节点，表示当前产品节点所属的父节点，下标中的(i)表示产品的层次，层次越低i值越大，i∈[0,9]，j₁、j₂∈[0,+∞)，i、j₁、j₂均为整数。J₍₀₎₀为根节点。

图3、4中的表示产品节点的第k个故障模式，下标中的[(i)j₁]表示故障模式所属的产品节点。α_k、γ_k分别表示故障模式的严酷度类别和危害度，α_k∈{1,2,3,4}，γ_k∈[0,+∞)。(α，γ)表示产品节点的产品严酷度类别和产品危害度，α＝max{α_k}，γ＝∑(γ_k)。

图4中的矩形框表示产品节点及其故障模式。箭头表示故障模式间的影响传递关系，箭头方向为影响传递的方向。横线表示不同的产品层次，产品层次由低到高自下而上显示。

图5中的黑色小圆点表示故障模式，小圆点间的连线表示故障模式间存在影响关系(无向化处理)。虚线圈及数字表示圈内的故障模式的度。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、特征及优点得到更清楚的了解，以下结合附图，作详细说明。

本发明给出了一种图形化的故障影响传递关系的分析方法，并给出相应的评价模型，可以有效解决庞大复杂产品系统交联关系复杂，故障数量多、传递关系复杂、分支多等问题，给出准确有效的传递关系网。本发明可以由计算机程序模块进行描述，通用的计算机程序模块应包括执行特定任务的对象、组件、算法、变量等。本发明的整体架构，见图1所示。其具体实施步骤是：

步骤一：产品构型视图构建。

包括定义和划分产品的数据层次，构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系。

(1)定义和划分产品节点的数据层次，包括装备、系统、分系统、装置、机组、单元体、组件、部件、元器件，装备为第1层，元器件为第9层，在后续故障影响传递关系图中将会从元器件级到装备级由低到高依次显示各层次。

(2)构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系。第i层的第j1个产品节点以表示，其中表示当前产品节点，表示当前产品节点所属的父节点，下标中的(i)表示产品的层次，层次越低i值越大，i∈[0,9]，j₁、j₂∈[0,+∞)，i、j₁、j₂均为整数。根节点为J₍₀₎₀。

举例如下：

例1构建某产品的树状结构模型。

构建产品的树状结构模型采取自上而下的方法进行，根节点为J₍₀₎₀，第一层产品节点为第二层产品节点为第三层产品节点为以此类推，j₁、j₂、j₃＝1,2,…,n。构建其树状结构模型如图2所示。

步骤二：定义故障信息及其影响传递关系，并以图形化的形式显示故障影响传递关系。

包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度、故障模式危害度，以及产品不同节点间的故障影响传递关系，并以图形化的形式显示产品的故障信息，形成不同产品节点间的故障影响传递关系图。

(1)定义各产品节点的故障信息，包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度和故障模式危害度。产品节点包含K个故障模式，其中第k(k∈[0,K])个故障模式以表示，下标中的[(i)j₁]表示故障模式所属的产品节点，i∈[0,9]，j₁∈[0,+∞)，i、j₁均为整数。故障模式的严酷度为α_k，危害度为γ_k，α_k∈[1,4]，为整数，γ_k∈[0,+∞)。每个故障模式的具体显示内容为“模式(α_k，γ_k)”。产品节点的故障信息以矩形框表示，矩形框共K+1行，第一行显示产品节点信息，显示内容为“产品节点(α，γ)”，其中α为产品严酷度，γ为产品危害度，α＝max{α_k}，γ＝∑(γ_k)；后K行显示该产品节点下所有的故障模式信息，每行的故障模式具体显示的内容为“模式(α_k，γ_k)”；每个故障模式所在的矩形框左右两侧各有一个输入端口和一个输出端口。

举例如下：

例2以图形化的形式显示某产品节点的故障信息。

如图3所示，产品节点下有故障模式…，各故障模式的严酷度分别为α₁，α₂，…，故障模式危害度分别为γ₁，γ₂，…。每个故障模式的严酷度和故障模式危害度显示在相应故障模式后的()内。产品节点后的()内则显示该产品节点的严酷度α和产品危害度γ，α＝max{α₁，α₂，…}，γ＝∑(γ₁，γ₂，…)。

图3中左侧输入端口表示导致产品节点的各故障模式发生的其它故障，右侧输出端口表示产品节点的各故障模式发生对其它产品故障的影响。

(2)定义故障影响传递关系，形成故障影响传递关系图。如果一个产品的故障影响并导致另一产品故障的发生，称这个产品故障与另一产品故障之间有影响传递关系，在故障影响传递关系图中以箭头表示。

在产品的故障影响传递关系图中，左侧显示产品的树状构型，对应产品树中的一个产品节点，右侧按照产品层次显示与选中产品节点存在故障影响传递关系的产品节点及其故障模式信息。如果产品节点的故障模式影响到产品节点的故障模式(其中i’∈[0,9]，p₁、p₂、q∈[0,+∞)，i’、p₁、p₂、q均为整数)，那么从故障模式的输出端口到故障模式的输入端口存在一条带箭头并指向故障模式输入端口的连线。不同产品层次用一条横线隔开，产品层次由低到高自下而上显示。故障影响传递关系图示例如图4所示。

步骤三：分析评价故障间的影响传递关系。

对于复杂产品，耦合故障可能会非常多，实际工程中不可能逐个消减耦合故障，而应该在众多耦合故障集合中确定共同的故障予以关注，将其消除或将其发生概率和影响严重程度降低到可接受范围内，从而保证产品的可靠性要求。故障发生后，将通过故障间的影响传递关系作用传递到其他故障。如果受到影响而导致故障发生的故障模式越多，说明引发故障的故障模式越关键。基于这些认识，可以分析评价故障间的影响传递关系，找出关键的产品节点和故障模式予以关注。

(1)评价图形设计。对故障模式间的传递关系做无向化处理，将故障影响传递关系网简化为故障模式间的无向网络。每个故障模式至少有一条代表传递关系的边(无传递关系的故障模式及产品节点不显示在故障影响传递关系网中)。记无向网络中故障模式的边的数目为节点的“度”，度越小的故障模式对其他故障模式的影响越小，度越大的故障模式耦合故障越集中。逐步剥离度小的故障模式，留下度大的故障模式。最终找到需要的关键故障模式，即为产品设计改进的关键重要环节。

举例如下：

例3解析故障影响传递关系网，找出其中的关键故障模式。

如图5所示，首先将传递关系简化为产品节点间的无向网络。无传递关系的故障模式不显示在故障影响传递关系网中，故无向网络中节点的度最小为1。剥离度为1的故障模式，留下的故障模式度至少为2。以此类推，进一步可以得到度为k的故障模式。k越大，说明留下的故障模式越关键，即为产品设计改进的关键重要环节。

(2)数学评价模型。如果一个故障模式通过影响传递关系不断向上传递，则会在可视化图形中形成一条故障影响传递链，记为N。每条故障链中的故障模式数记为│N│，│N│∈[0,+∞)。

对每个形成故障影响传递链的故障模式，定义其影响度

I＝a×β×│N│×L

其中，a为该故障模式的严酷度等级等价值，严酷度等级越高值越大。严酷度等级为Ⅰ级的等价值为4，Ⅱ级的等价值为3，Ⅲ级的等价值为2，Ⅳ级的等价值为1。β为该故障模式的发生概率，β∈(0,1)。L为该故障所在的故障链影响的最高层次，层次越高L值越大。装备级L值为10，系统为9，分系统为8，以此类推。

分析故障模式的影响度，找出关键故障模式。当I值越大，表明故障模式的影响度越大，应该在设计中尽早解决。

Claims (1)

1.一种复杂产品故障影响传递关系模型及其分析与评价方法，其特征在于：它包含以下步骤：

步骤一：产品构型视图构建；

包括定义和划分产品的数据层次，构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系；

(1)定义和划分产品节点的数据层次，包括装备、系统、分系统、装置、机组、单元体、组件、部件、元器件，装备为第1层，系统为第2层，以此类推，元器件为第9层，在后续故障影响传递关系图中将会从元器件级到装备级由低到高依次显示各层次；

(2)构建产品的构型视图，形成产品的树状结构模型，显示产品节点间的从属关系；第i层的第j1个产品节点以表示，其中表示当前产品节点，表示当前产品节点所属的父节点，下标中的(i)表示产品的层次，层次越低i值越大，i∈[0,9]，j₁、j₂∈[0,+∞)，i、j₁、j₂均为整数，根节点为J₍₀₎₀；

步骤二：定义故障信息及其影响传递关系，并以图形化的形式显示故障影响传递关系；

包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度、故障模式危害度，以及产品不同节点间的故障影响传递关系，并以图形化的形式显示产品的故障信息，形成不同产品节点间的故障影响传递关系图；

(1)定义各产品节点的故障信息，包括定义各产品节点的故障模式、故障模式严酷度和故障模式危害度；产品节点包含K个故障模式，其中第k(k∈[0,K])个故障模式以表示，下标中的[(i)j₁]表示故障模式所属的产品节点，i∈[0,9]，j₁∈[0,+∞)，i、j₁均为整数；故障模式的严酷度为α_k，危害度为γ_k，α_k∈[1,4]，为整数，γ_k∈[0,+∞)；每个故障模式的具体显示内容为“模式(α_k，γ_k)”，产品节点的故障信息以矩形框表示，矩形框共K+1行，第一行显示产品节点信息，显示内容为“产品节点(α，γ)”，其中α为产品严酷度，γ为产品危害度，α＝max{α_k}，γ＝∑(γ_k)；后K行显示该产品节点下所有的故障模式信息，每行的故障模式具体显示的内容为“模式(α_k，γ_k)”；每个故障模式所在的矩形框左右两侧各有一个输入端口和一个输出端口；

(2)定义故障影响传递关系，形成故障影响传递关系图；如果一个产品的故障影响并导致另一产品故障的发生，称这个产品故障与另一产品故障之间有影响传递关系，在故障影响传递关系图中以箭头表示；

在产品的故障影响传递关系图中，左侧显示产品的树状构型，选中其中任何一个产品节点，能将节点拖动到画布中，节点将以上一步中定义的矩形框的形式出现在故障影响传递关系图中；如果一个产品的故障模式影响并导致另一产品故障的发生，从产品树中将两个产品节点都拖动到画布中，两个产品节点及其故障模式的矩形框都被添加到故障影响传递关系图中，从第一个故障模式的输出端口绘制一个箭头指向被影响的故障模式的输入端口，即形成产品不同节点间的故障影响传递关系；

在产品的故障影响传递关系图中，添加多个产品节点及其故障模式，绘制多条代表故障影响传递关系的箭头，故障模式能在同层节点间传递，也能往高一层次传递、跨层次向高层次传递，直至产品的根节点为止，形成故障影响传递关系网；图中各层次之间以直线隔开，跨层次传递时无故障模式的层次显示空白；

步骤三：分析评价故障间的传递关系；

对于复杂产品，耦合故障可能会非常多，实际工程中不可能逐个消减耦合故障，而应该在众多耦合故障集合中确定共同的故障予以关注，将其消除或将其发生概率和影响严重程度降低到可接受范围内，从而保证产品的可靠性要求；故障发生后，将通过故障间的影响传递关系作用传递到其他故障，如果受到影响而导致故障发生的故障模式越多，说明引发故障的故障模式越关键，基于这些认识，分析评价故障间的影响传递关系，找出关键的产品节点和故障模式予以关注；

(1)评价图形设计；对故障模式间的传递关系做无向化处理，将故障影响传递关系网简化为故障模式间的无向网络；每个故障模式至少有一条代表传递关系的边，无传递关系的故障模式及产品节点不显示在故障影响传递关系网中；记无向网络中故障模式的边的数目为节点的“度”，度越小的故障模式对其他故障模式的影响越小，度越大的故障模式耦合故障越集中；逐步剥离度小的故障模式，留下度大的故障模式，最终找到需要的关键故障模式，即为产品设计改进的关键重要环节；

(2)数学评价模型；如果一个故障模式通过影响传递关系不断向上传递，则会在可视化图形中形成一条故障影响传递链，记为N；每条故障链中的故障模式数记为│N│，│N│∈[0,+∞)；

对每个形成故障影响传递链的故障模式，定义其影响度

I＝a×β×│N│×L

其中，a为该故障模式的严酷度等级等价值，严酷度等级越高值越大；严酷度等级为Ⅰ级的等价值为4，Ⅱ级的等价值为3，Ⅲ级的等价值为2，Ⅳ级的等价值为1；β为该故障模式的发生概率，β∈(0,1)；L为该故障所在的故障链影响的最高层次，层次越高L值越大；装备级L值为10，系统为9，分系统为8，以此类推；

分析故障模式的影响度，找出关键故障模式，当I值越大，表明故障模式的影响度越大，应该在设计中尽早解决。