CN105260519A - 一种无人机fmeca分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机可靠性分析技术领域，涉及一种无人机FMECA分析方法，能够解决目前的无人机FMECA分析方法分析精度低的问题。包括如下步骤：进行约定层次划分；对最低约定层次上的每个功能单元进行FMECA分析；逐级对其他约定层次进行FMECA分析；根据所有约定层次上的全部功能单元的FMECA分析结果，得到每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成无人机FMECA初步分析；对完成FMECA初步分析的无人机进行预定改进，对改进后的无人机重新进行FMECA分析。本发明能够保证了数据在不同约定层次之间的信息能够进行有效的传递，另外，在确定故障模式频数比α时加入了故障影响概率β，能够提高改进后再分析技术的分析精度。

Description

一种无人机FMECA分析方法

技术领域

本发明涉及无人机可靠性分析技术领域，涉及一种无人机FMECA分析方法。

背景技术

故障模式影响及危害性分析(FMECA，FailureModeEffectsandCriticalityAnalysis)是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法，是属于单因素的分析方法。

FMECA的根本目的是从不同角度发现产品的各种缺陷与薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高可靠性水平。进一步，需要在改进后再进行FMECA分析，而目前的改进后再分析技术往往分析精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机FMECA分析方法，能够解决目前的无人机FMECA分析方法分析精度低的问题。

本发明的技术方案是：

一种无人机FMECA分析方法，包括如下步骤：

步骤一，根据无人机的结构，将所述无人机自上而下进行约定层次划分，其中，独立的功能单元为一个约定层次，最低约定层次为最小的功能单元；

步骤二，对最低约定层次上的每个功能单元进行FMECA分析，获得所述最低约定层次上的每个功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级；

步骤三，根据最低约定层次上的每个功能单元的FMECA分析结果，逐级对其他约定层次进行FMECA分析，获得其他约定层次上全部功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级；

除所述最低约定层次以外的某一预定约定层次中，某一预定功能单元发生预定故障模式时的所述故障模式频数比α根据如下公式(1)得到：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Σ\λ}}_m}{\mathrm{\λ}}\mathrm{......}\left(1\right),$

λ代表所述预定功能单元的发生所述预定故障模式产品的故障概率；

λm根据如下公式(2)得到：

λm＝αm×λ×β......(2)，

αm为下一约定层次中，与所述预定功能单元相关的功能单元的故障模式频数比；β为故障影响概率，代表底层故障模式发生时，其上一层次故障模式发生的概率；

步骤四，根据所有约定层次上的全部功能单元的FMECA分析结果，得到每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成所述无人机FMECA初步分析；

步骤五，对完成FMECA初步分析的所述无人机进行预定改进，对改进后的所述无人机重新进行步骤一到步骤三的FMECA分析，再根据分析结果得到改进后的每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成所述无人机FMECA再分析。

可选地，在所述步骤一中，约定层次自上而下包括初始约定层次、中间约定层次以及所述最低约定层次。

可选地，在所述无人机FMECA初步分析中，所述故障影响概率β等于1。

可选地，在所述步骤五中，所述预定改进为增加余度的改进，所述增加余度的改进又包括热备份和冷备份；

当处于热备份改进时，包括：

在改进前的功能单元的故障模式基础上增加N通道故障模式，改进前的故障模式变为单通道故障，则改进后的功能单元的故障概率λ增加为N倍，故障影响概率β值根据如下公式(3)得到，且其他值不变：

${\mathrm{\β}}_i=C_N^i{R}^{N-i}{(1-R)}^i\mathrm{......}\left(3\right),$

N表示增加的通道故障模式数量，1-R表示一个通道故障概率；

当处于冷备份改进时：

增加N通道故障模式，将原有故障模式变为单通道故障，原有模块的故障率增加为N倍，其他值不变。

可选地，在所述步骤四和步骤五中，任务可靠度R通过如下公式(4)得到：

R＝e^-λS*t......(5)，

t表示预定的工作时间。

本发明的有益效果：

本发明提供的无人机FMECA分析方法，除了最低约定层次的故障模式频数比α需要给出外，其他约定层次的α值均可以计算给出，保证了数据在不同约定层次之间能够进行有效的传递，使无人机FMECA分析规范化，减少分析人员带来的随意性，降低分析的难度，大规模减少分析人员工作量，便于各类分析人员数据传递和分层管理；另外，在确定故障模式频数比α时加入了故障影响概率β，能够提高改进后再分析技术的分析精度。

附图说明

图1是本发明无人机FMECA分析方法中约定层次划分示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

如图1所示，本发明的一种无人机FMECA分析方法，能够基于ReliabilityWorkbench平台进行，包括如下步骤：

步骤一，根据无人机的结构，将无人机自上而下进行约定层次划分，其中，约定层次的划分应包含全机所有的产品，独立的功能单元为一个约定层次，最低约定层次为最小的功能单元。

特别如图1所示，在本实施例中，无人机约定层次自上而下分别为初始约定层次、中间约定层次以及最低约定层次。初始约定层次是分析无人机本身，中间约定层次中的功能单元包括任务系统、飞机管路系统、动力装置系统、伺服作动分系统以及飞行传感器系统等等；最低约定层次中的功能单元包括发射模块、接收模块、电源模块以及处理器模块。

步骤二，对最低约定层次上的每个功能单元进行FMECA分析，获得最低约定层次上的每个功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级。

可以参照现行有效的标准GJB/Z1391-2006《故障模式、影响及危害性分析指南》给出了分析基本步骤及注意事项进行FMECA分析，具体分析步骤不再赘述。其中，对于最低约定层次，故障模式可以参考GJB/Z1391-2006中规定的典型故障模式；对于中间约定层次，需严格定义故障判据，有判定阈值的要定量化，如参数漂移、输出误差等需要给出具体的判据值；对于初始约定层次，故障模式应与严酷度等级定义相一致。

步骤三，根据最低约定层次上的每个功能单元的FMECA分析结果，逐级对其他约定层次进行FMECA分析，获得其他约定层次上全部功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级。

进行FMECA分析时，下一层约定层次的故障影响(自身故障影响)是相应上一层的故障模式，因此，除了最低约定层次的故障模式频数比α需要给出外，其他约定层次的α值均可以计算给出，这样就保证了数据的传递性。即除最低约定层次以外的某一预定约定层次中，某一预定功能单元发生预定故障模式时的故障模式频数比α根据如下公式(1)得到：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Σ\λ}}_m}{\mathrm{\λ}}\mathrm{......}\left(1\right),$

λ代表预定功能单元的发生预定故障模式产品的故障概率；

λm根据如下公式(2)得到：

λm＝αm×λ×β......(2)，

αm为下一约定层次中，与预定功能单元相关的功能单元的故障模式频数比；β为故障影响概率，代表底层故障模式发生时，其上一层次故障模式发生的概率。其中，无人机FMECA初步分析中，取故障影响概率β等于1。

步骤四，根据所有约定层次上的全部功能单元的FMECA分析结果，得到每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成无人机FMECA初步分析。

其中，成品致命故障概率S*等于相应约定层次中相应故障模式的最大故障模式频数比与最小故障模式频数比之和；任务可靠度R通过如下公式(4)得到：

R＝e^-λS*t......(5)，

t表示预定的工作时间。

步骤五，对完成FMECA初步分析的无人机进行预定改进，对改进后的无人机重新进行步骤一到步骤三的FMECA分析，再根据分析结果得到改进后的每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成无人机FMECA再分析。

其中，步骤五中的改进措施可以为多种，可以是设计改进或者增加余度。设计改进相当于产品的固有可靠性提高，则直接更改故障概率。

当改进措施为增加余度时，包括热备份和冷备份。当处于热备份改进时，包括：

在改进前的功能单元的故障模式基础上增加N通道故障模式，改进前的故障模式变为单通道故障，则改进后的功能单元的故障概率λ增加为N倍，故障影响概率β值根据如下公式(3)得到，且其他值不变：

${\mathrm{\β}}_i=C_N^i{R}^{N-i}{(1-R)}^i\mathrm{......}\left(3\right),$

N表示增加的通道故障模式数量，1-R(R为任务可靠度)表示一个通道故障概率。

当处于冷备份改进时，增加N通道故障模式，将原有故障模式变为单通道故障，原有模块的故障率增加为N倍，其他值不变。

本发明提供的无人机FMECA分析方法，除了最低约定层次的故障模式频数比α需要给出外，其他约定层次的α值均可以计算给出，保证了数据在不同约定层次之间能够进行有效的传递，使无人机FMECA分析规范化，减少分析人员带来的随意性，降低分析的难度，大规模减少分析人员工作量，便于各类分析人员数据传递和分层管理；另外，在确定故障模式频数比α时加入了故障影响概率β，能够提高改进后再分析技术的分析精度。

下面将以一个具体实例进行FMECA分析演示说明，其中，最低约定层次包括发射模块、接收模块、电源模块以及处理器模块，相对应的中间约定层次包括无线电高度表。

针对最低约定层次进行FMECA分析(具体分析过程省略)结果参照表1所示，其中，为使β值的情况较为明显，λ提高1000倍，工作时间t取10h。

表1

根据最低约定层次分析计算上一约定层次无线电高度表的FMECA，分析结果参照表2所示。

表2

根据上述分析可以给出高度表任务可靠度，计算如下：

S*＝0.15+0.33＝0.48；

任务可靠度R＝e^-λS*t＝e^{-0.01*0.48*10}＝0.953。

其他约定层次的功能单元的FMECA分析方法类似，不再赘述。完成初次分析之后，由于高度表较为重要，因此需要进行预定改进；此处改进措施为双余度，改进后再分析结果参照表3所示。

表3

根据上述改进后的最低约定层次分析计算上一约定层次无线电高度表的FMECA，分析结果参照表4所示。

表4

根据上述分析可以给出高度表任务可靠度，计算如下：

S*＝0.0075+0.0165＝0.024，

任务可靠度R＝e^-λS*t＝e^{-0.02*0.024*10}＝0.9952。继续向上传递，可针对无人机系统进行FMECA分析，并计算任务可靠度。

本发明的无人机FMECA分析方法，只给出整机的严酷度等级类别与定义，将底层分析与顶层分析关联，自动给出导致致命故障的故障模式(如一些飞机规定Ⅰ、Ⅱ类严酷度等级分别为机毁及返航，在计算任务可靠度时，其为影响任务完成的故障模式，因此该模式为致命故障的故障模式)，同时根据模式故障率，计算成品的致命故障概率S*，进而计算成品及系统的任务可靠度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种无人机FMECA分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据无人机的结构，将所述无人机自上而下进行约定层次划分，其中，独立的功能单元为一个约定层次，最低约定层次为最小的功能单元；

步骤二，对最低约定层次上的每个功能单元进行FMECA分析，获得所述最低约定层次上的每个功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级；

步骤三，根据最低约定层次上的每个功能单元的FMECA分析结果，逐级对其他约定层次进行FMECA分析，获得其他约定层次上全部功能单元的故障模式、自身故障影响、上一层次故障影响、故障模式频数比、故障率、故障影响概率以及严酷度等级；

除所述最低约定层次以外的某一预定约定层次中，某一预定功能单元发生预定故障模式时的所述故障模式频数比α根据如下公式(1)得到：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Σ\λ}}_m}{\mathrm{\λ}}......\left(1\right),$

λ代表所述预定功能单元的发生所述预定故障模式产品的故障概率；

λm根据如下公式(2)得到：

λm＝αm×λ×β......(2)，

αm为下一约定层次中，与所述预定功能单元相关的功能单元的故障模式频数比；β为故障影响概率，代表底层故障模式发生时，其上一层次故障模式发生的概率；

步骤四，根据所有约定层次上的全部功能单元的FMECA分析结果，得到每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成所述无人机FMECA初步分析；

步骤五，对完成FMECA初步分析的所述无人机进行预定改进，对改进后的所述无人机重新进行步骤一到步骤三的FMECA分析，再根据分析结果得到改进后的每个约定层次的成品致命故障概率S*以及任务可靠度R，完成所述无人机FMECA再分析。

2.根据权利要求1所述的无人机FMECA分析方法，其特征在于，在所述步骤一中，约定层次自上而下包括初始约定层次、中间约定层次以及所述最低约定层次。

3.根据权利要求1所述的无人机FMECA分析方法，其特征在于，在所述无人机FMECA初步分析中，所述故障影响概率β等于1。

4.根据权利要求3所述的无人机FMECA分析方法，其特征在于，在所述步骤五中，所述预定改进为增加余度的改进，所述增加余度的改进又包括热备份和冷备份；

当处于热备份改进时，包括：

在改进前的功能单元的故障模式基础上增加N通道故障模式，改进前的故障模式变为单通道故障，则改进后的功能单元的故障概率λ增加为N倍，故障影响概率β值根据如下公式(3)得到，且其他值不变：

${\mathrm{\β}}_i=C_N^i{R}^{N-i}{(1-R)}^i......\left(3\right),$

N表示增加的通道故障模式数量，1-R表示一个通道故障概率；

当处于冷备份改进时：

增加N通道故障模式，将原有故障模式变为单通道故障，原有模块的故障率增加为N倍，其他值不变。

5.根据权利要求4所述的无人机FMECA分析方法，其特征在于，在所述步骤四和步骤五中，任务可靠度R通过如下公式(4)得到：

R＝e^-λS*t......(5)，

t表示预定的工作时间。