CN113960992A - 基于改进的fmeca机械产品故障树自动构建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统及方法，属于数字化研发领域。获取输入的物料编码和版本，获取该物料的EBOM信息；构建该物料的FMECA，以及构建故障树框架；将故障树框架数据映射到故障树可视化模板，生成最终的产品或部件的故障树。本发明打通了设计端数据与服务端数据的孤岛，有效避免设计人员输入性错误，同时，将传统纸质材料转换为结构化数据，提高了数据的重用性，可在设计阶段得到产品或部件FMECA以改进产品设计，并可基于故障机理对产品或部件进行仿真，提高其可靠度，又可在服务端得到产品或部件的故障树对产品进行故障诊断，降低设计人员的劳动强度，提供工作人员的工作效率。

Description

基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统及方法

技术领域

本发明属于数字化研发技术领域，尤其涉及一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统及方法。

背景技术

目前，机械产品的可靠性问题越来越引起人们的关注，对于可靠性的研究也更加深入。虚拟仿真，作为驱动产品设计、缺陷前置及验证系统可靠性性能的重要方法，近年来已在行业内得到广泛应用。然而，对于多数机械产品，如工程机械，具有多品种、小批量及研发周期短等特点，设计人员往往没有时间去分析哪些零部件可以通过仿真提升其可靠性。机械产品故障树分析方法（Fault Tree Analysis，FTA）是一种广泛应用于大型复杂系统安全性及可靠性分析的强有力工具，仿真需求可从其定性分析的故障机理中获取。而机械产品故障树的生成是FTA最基本、最关键的环节，然而，针对大型复杂机械产品的机械产品故障树建模，传统的基于手工构建的方式存在建模周期长、对建模者要求较高且容易发生遗漏和错误等缺点。

故障模式影响与危害度分析（Failure Mode Effects and CriticalityAnalysis，FMECA）是分析产品中每一个可能的故障模式并确定其对产品及上层产品所产生的影响，并对每一个故障模式按其影响的严重程度及发生概率与故障危害程度予以分类的一种分析技术。FMECA和FTA本质上都是处理故障的因果关系并检索这些故障信息，FMECA是对故障模式的检索，FTA是对顶事件的检索，同时，对于复杂系统机械产品故障树构建时通常按照系统层级逐级展开，因此，产品EBOM、FMECA与FTA间存在着必然的联系，为机械产品故障树的自动生成提供一种有效的方法。 然而，多数机械产品结构复杂，故障模式种类繁多，因此现有技术不能满足机械产品故障树构建的需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统及方法，解决了无法系统性的构建机械产品FMECA、故障树构建困难以及数据无法重用的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统，包括：

PDM系统集成模块，用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

改进的FMECA构建模块，用于基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA；

故障树框架构建模块，用于基于所述改进的FMECA构建故障树框架；

故障树可视化构建模块，用于根据所述故障树框架定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

本发明的有益效果是：本发明对机械产品故障树构建技术进行研究，提出一种基于改进的FMECA的机械产品故障树自动构建系统，系统获取设计人员输入的物料编码和版本，通过与PDM系统集成接口，获取该物料信息，包括物料属性及层级关系信息，根据所述物料属性及层级关系信息构建物料的EBOM结构树；基于该EBOM结构树及经结构化处理的FMECA，构建该物料改进的FMECA，系统基于该FMECA自动构建故障树框架；最后，系统将故障树框架数据映射到故障树可视化模板，生成最终的产品或部件的故障树。本发明打通了设计端数据与服务端数据的孤岛，有效避免设计人员输入性错误，同时，将传统纸质材料转换为结构化数据，提高了数据的重用性，既可在设计阶段得到产品或部件FMECA改进产品设计，并基于故障机理对产品或部件进行仿真，提高其可靠度，又可在服务端得到产品或部件的故障树对产品进行故障诊断，降低设计人员的劳动强度，提供工作人员的工作效率。

基于上述系统，本发明提供了一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，包括以下步骤：

S1、集成PDM系统：用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

S2、构建改进的FMECA：基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA；

S3、构建故障树框架：基于所述改进的FMECA构建故障树框架；

S4、定义故障树可视化模板：根据所述故障树框架，定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例，完成机械产品故障树的自动构建。

本发明的有益效果是：本发明对机械产品故障树构建技术进行研究，提出一种基于改进的FMECA的机械产品故障树自动构建方法，系统获取设计人员输入的物料编码和版本，通过与PDM系统集成接口，获取该物料信息，包括物料属性及层级关系信息，根据所述物料属性及层级关系信息构建物料的EBOM结构树；设计人员基于该EBOM结构树及经结构化处理的FMECA，构建该物料改进的FMECA，系统基于该FMECA自动构建故障树框架；最后，系统将故障树框架数据映射到故障树可视化模板，生成最终的产品或部件的故障树。本方法打通了设计端数据与服务端数据的孤岛，有效避免设计人员输入性错误，同时，将传统纸质材料转换为结构化数据，提高了数据的重用性，既可在设计阶段得到产品或部件FMECA改进产品设计，并基于故障机理对产品或部件进行仿真，提高其可靠度，又可在服务端得到产品或部件的故障树对产品进行故障诊断，降低设计人员的劳动强度，提供工作人员的工作效率。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、定义与PDM系统的集成接口协议，以及定义输入及输出属性字段；

S102、根据用户输入的影响机械产品零部件的物料编码及版本调用PDM系统集成接口，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

S103、根据所述物料属性及层级关系信息构建物料的EBOM结构树。

上述进一步方案的有益效果是：统一数据源头，从PDM系统中集成获取机械产品零部件物料信息，构建其EBOM结构树，可系统的、直观的对产品或部件进行FMECA分析，避免人为因素导致丢件和少件的情况发生，有效减少设计人员输入性错误。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、以所述EBOM结构树对现有的FMECA数据进行结构化处理；

S202、基于经结构化处理后的FMECA数据，按EBOM结构树层级逐层对所有机械产品零部件进行分析，记录各机械产品零部件的故障模式属性，并将各机械产品零部件的故障模式属性以信息卡的形式链接至对应节点；

S203、若相同机械产品零部件存在多种故障模式，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA；或

若EBOM结构树中不存在物料对机械产品零部件产生影响时，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA。

上述进一步方案的有益效果是：将传统的数据结构化，实现数据的重用，减少设计人员的重复劳动，同时，通过增加新的属性，能更清晰表达机械零部件间的耦合关系，设计人员可根据改进的FMECA进行机械产品零部件的优化设计。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、遍历所述改进的FMECA，以最终影响的机械产品零部件名称作为根节点，并删除对根节点无影响的机械产品零部件；

S302、在FMECA中各节点链接的信息卡中获取对应的机械产品零部件的名称和故障模式；

S303、利用所述名称和故障模式替换FMECA中对应的节点，生成故障树框架。

上述进一步方案的有益效果是：基于改进的FMECA实现故障树框架的自动创建，减轻设计人员的劳动强度，同时减少因人为因素导致的输入性错误。

再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、定义所述故障树框架中的根节点作为故障树顶事件，定义所述故障树框架中的叶子节点作为故障树底事件，定义所述故障树框架中的其余节点作为故障树中间事件，以及定义各事件符号及逻辑门符号；

S402、读取故障树框架中各节点属性，调用相应的事件及逻辑门符号；

S403、将所述相应的事件及逻辑门符号映射至故障树可视化模块指定的位置，构建故障树可视化模块；

S404、基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

上述进一步方案的有益效果是：基于故障树可视化模块自动生成机械产品零部件故障树实例，打通设计端及服务端数据的孤岛，实现同源数据在产品生命周期不同阶段的重用，既可通过故障树实例指导服务人员对产品进行故障诊断，又能基于故障机理对产品或部件进行故障复现，快速定位故障主要原因，提高相关人员的工作效率。

附图说明

图1 为本发明中故障树自动生成系统的运行示意图。

图2为本发明中故障树自动生成方法流程图。

图3为本发明中改进的FMECA构建示意图。

图4为本发明中多故障模式及新增物料示意图。

图5为本发明中故障树框架构建示意图。

图6为本发明中故障树可视化模板示意图。

图7为本发明中故障树逻辑门符合示意图。

图8为本发明中故障树构建及可视化实例示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

在对本发明进行说明前，对以下参数进行解释

参数	含义
		EBOM	物料清单
PDM(Product Data Management)	产品数据管理
		FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis）	故障模式影响与危害度分析

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统，包括：

PDM系统集成模块，用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

本实施例中，PDM系统集成模块用于获取用户输入需要制作故障树的物料编码及版本，系统根据物料编码及版本调用与PDM系统集成接口，获取该物料的EBOM结构信息，存储到数据库中。根据各物料的层级关系，搭建该物料的EBOM结构树，用于构建该物料的FMECA。

改进的FMECA构建模块，用于基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA；

本实施例中，改进的FMECA，即将传统的FMECA数据结构化，除原有属性外，增加新的属性，如：关联影响部件，用于判断故障树中两事件之间的逻辑门，所述改进的FMECA构建模块是基于产品或部件EBOM构建改进的FMECA，将传统的FMECA表中信息以结构化形式存储到数据库中，同时新增字段属性便于计算机识别及数据获取。在结构树中按EBOM层级逐层对所有零部件进行分析，记录各零部件的故障模式等属性，并以信息卡的形式链接到对应节点，并存储到数据库。若同一零部件存在多种故障模式或EBOM结构中不存在的物料对产品或部件产生影响时（如液压油温度等），需要增加节点记录该信息，最后生成基于EBOM的改进的FMECA。

故障树框架构建模块，用于基于所述改进的FMECA构建故障树框架；

本实施例中，所述的故障树框架构建模块用于构建产品或部件故障树框架，系统遍历改进的FMECA，以“最终影响的部件名称”作为根节点，删除对根节点无影响的零部件，同时在结构树中各节点链接的信息卡中获取对应的“部件名称+故障模式”，替换结构树中对应节点，生成产品或部件故障树框架。

故障树可视化构建模块，用于根据所述故障树框架定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

本实施例中，所述的故障树可视化模块用于定义故障树可视化模板，各类事件及逻辑门事件的符号，其中，定义生成的故障树框架中根节点作为故障树顶事件，叶子节点作为故障树底事件，其余节点作为故障树中间事件。系统读取故障树框架各节点属性，调用相应的事件及逻辑门符号，映射到故障树可视化模板指定位置，构建故障树，并生成用于展示给用户的最终的故障树实例。

本发明通过以上设计，打通了设计端数据与服务端数据的孤岛，有效避免设计人员输入性错误，同时，将传统纸质材料转换为结构化数据，提高了数据的重用性，既可在设计阶段得到产品或部件FMECA改进产品设计，并基于故障机理对产品或部件进行仿真，提高其可靠度，又可在服务端得到产品或部件的故障树对产品进行故障诊断，降低设计人员的劳动强度，提供工作人员的工作效率。

实施例2

如图2所示，本发明提供了一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其实现方法如下：

S1、集成PDM系统：用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息，其实现方法如下：

S101、定义与PDM系统的集成接口协议，以及定义输入及输出属性字段；

S102、根据用户输入的影响机械产品零部件的物料编码及版本调用PDM系统集成接口，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

S103、根据所述物料属性及层级关系信息构建物料的EBOM结构树。

S2、构建改进的FMECA：基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA，其实现方法如下：

S201、以所述EBOM结构树对现有的FMECA数据进行结构化处理；

S202、基于经结构化处理后的FMECA数据，按EBOM结构树层级逐层对所有机械产品零部件进行分析，记录各机械产品零部件的故障模式属性，并将各机械产品零部件的故障模式属性以信息卡的形式链接至对应节点；

S203、若相同机械产品零部件存在多种故障模式，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA；或

若EBOM结构树中不存在物料对机械产品零部件产生影响时，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA。

本实施例中，将传统的FMECA数据结构化，除原有属性外，增加新的属性，如：关联影响部件，用于判断故障树中两事件之间的逻辑门。以产品或部件EBOM结构组织构建结构化FMECA，按EBOM结构树层级逐层对所有零部件进行分析，记录各零部件的故障模式等其他属性，并以信息卡的形式链接到对应节点。若相同零部件存在多种故障模式或EBOM结构中不存在的物料对产品或部件产生影响时（如液压油温度等），需要增加节点记录该信息，最后生成基于EBOM结构树的改进的FMECA。传统的FMECA（部分）见表1，改进的FMECA属性表（部分）见表2。

表1

表2

本实施例中，改进的FMECA是产品设计阶段，基于产品或部件EBOM结构树构建改进的FMECA，各设计人员协同工作，按各人负责的产品或部件EBOM结构树层级逐层对所有零部件进行分析，记录各零部件的故障模式等其他属性，所构建信息以结构化形式存储到数据库中，并以信息卡的形式链接到对应节点。如图3所示，若同一零部件存在多种故障模式或EBOM结构树中不存在的物料对产品或部件产生影响时（如液压油温度等），需要增加节点记录该信息，如图4所示，最后生成基于EBOM结构树的改进的FMECA。

S3、故障树框架构建：基于所述改进的FMECA构建故障树框架，其实现方法如下：

S301、遍历所述改进的FMECA，以最终影响的机械产品零部件名称作为根节点，并删除对根节点无影响的机械产品零部件；

S302、在FMECA中各节点链接的信息卡中获取对应的机械产品零部件的名称和故障模式；

S303、利用所述名称和故障模式替换FMECA中对应的节点，生成故障树框架。

本实施例中，构建产品或部件故障树框架如图5所示，在企业局域网各设计人员协同工作，通过输入需要制作故障树的产品或部件的物料编码和版本，系统检索并遍历改进的FMECA，以“最终影响的部件名称”作为根节点，删除对根节点无影响的零部件，同时在结构树中各节点链接的信息卡中获取对应的“部件名称+故障模式”，替换结构树中对应节点，生成产品或部件故障树框架。

S4、定义故障树可视化模板：根据所述故障树框架，定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例，完成机械产品故障树的自动构建，其实现方法如下：

S401、定义所述故障树框架中的根节点作为故障树顶事件，定义所述故障树框架中的叶子节点作为故障树底事件，定义所述故障树框架中的其余节点作为故障树中间事件，以及定义各事件符号及逻辑门符号；

S402、读取故障树框架中各节点属性，调用相应的事件及逻辑门符号；

S403、将所述相应的事件及逻辑门符号映射至故障树可视化模块指定的位置，构建故障树可视化模块；

S404、基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

本实施例中，如图6、7所示，故障树可视化模块用于定义故障树可视化模板，各类事件及逻辑门事件的符号，其中，定义生成的故障树框架中根节点作为故障树顶事件，叶子节点作为故障树底事件，其余节点作为故障树中间事件，如将故障树框架的跟节点“履带行走装置+无法正常行驶”作为故障树的顶事件，叶子节点“支重轮+轴端漏油”、“支重轮+无法转动”作为故障树的底事件，非根节点组件“左履带装置+无法正常转动”、“右履带装置+无法正常转动”作为故障树中间事件。如图8所示，系统读取故障树框架各节点属性，调用相应的事件及逻辑门符号，插入到故障树可视化模板指定位置，构建故障树，并生成用于展示给用户的最终的故障树实例，如读取“履带行走装置+无法正常行驶”的节点属性，判断其“关联影响部件”中是否包含其他部件，如包含“左履带装置”、“右履带装置”，即可定义此处的逻辑门事件是“与”门，否则为“或”门。

本发明通过以上设计，打通了设计端数据与服务端数据的孤岛，有效避免设计人员输入性错误，同时，将传统纸质材料转换为结构化数据，提高了数据的重用性，既可在设计阶段得到产品或部件FMECA改进产品设计，并基于故障机理对产品或部件进行仿真，提高其可靠度，又可在服务端得到产品或部件的故障树对产品进行故障诊断，降低设计人员的劳动强度，提供工作人员的工作效率。

Claims (6)

1.一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建系统，其特征在于，包括：

PDM系统集成模块，用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

改进的FMECA构建模块，用于基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA；

故障树框架构建模块，用于基于所述改进的FMECA构建故障树框架；

故障树可视化构建模块，用于根据所述故障树框架定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

2.一种基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、集成PDM系统：用于定义与PDM系统的集成接口协议，通过向PDM系统发送影响机械产品零部件的物料编码和版本，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，根据所述物料信息构建物料的EBOM结构树，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

S2、构建改进的FMECA：基于所述EBOM结构树将现有的FMECA数据结构化，并添加新的属性，生成改进的FMECA；

S3、构建故障树框架：基于所述改进的FMECA构建故障树框架；

S4、定义故障树可视化模板：根据所述故障树框架，定义故障树可视化模块，并基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例，完成机械产品故障树的自动构建。

3.根据权利要求2所述的基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、定义与PDM系统的集成接口协议，以及定义输入及输出属性字段；

S102、根据用户输入的影响机械产品零部件的物料编码及版本调用PDM系统集成接口，并根据集成接口协议通过PDM系统获取物料信息，其中，所述物料信息包括物料属性及层级关系信息；

S103、根据所述物料属性及层级关系信息构建物料的EBOM结构树。

4.根据权利要求2所述的基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、以所述EBOM结构树对现有的FMECA数据进行结构化处理；

S202、基于经结构化处理后的FMECA数据，按EBOM结构树层级逐层对所有机械产品零部件进行分析，记录各机械产品零部件的故障模式属性，并将各机械产品零部件的故障模式属性以信息卡的形式链接至对应节点；

S203、若相同机械产品零部件存在多种故障模式，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA；或

若EBOM结构树中不存在物料对机械产品零部件产生影响时，增加节点记录该信息，生成改进的FMECA。

5.根据权利要求2所述的基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、遍历所述改进的FMECA，以最终影响的机械产品零部件名称作为根节点，并删除对根节点无影响的机械产品零部件；

S302、在FMECA中各节点链接的信息卡中获取对应的机械产品零部件的名称和故障模式；

S303、利用所述名称和故障模式替换FMECA中对应的节点，生成故障树框架。

6.根据权利要求2所述的基于改进的FMECA机械产品故障树自动构建方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、定义所述故障树框架中的根节点作为故障树顶事件，定义所述故障树框架中的叶子节点作为故障树底事件，定义所述故障树框架中的其余节点作为故障树中间事件，以及定义各事件符号及逻辑门符号；

S402、读取故障树框架中各节点属性，调用相应的事件及逻辑门符号；

S403、将所述相应的事件及逻辑门符号映射至故障树可视化模块指定的位置，构建故障树可视化模块；

S404、基于所述故障树可视化模块生成用于展示给用户的故障树实例。

Images