系统可靠性设计与分析大作业

《系统可靠性设计与分析》大作业NOKIA手机的可靠性分析学院：电子信息工程学院组长：丁莹14120230组员：盛昕禹14120024周锦洪14120311日期：2015年5月25日指导教师：刘中田目录1引言 21.1 RAMCommander软件介绍 21.2诺基亚手机背景介绍 22产品可靠性分析的基本概念 32.1产品的可靠性定义 32.2确定环境和使用条件 42.3规定的任务和功能 43诺基亚手机可靠性分析 43.1建立产品树 43.2Operating分析 63.3RBD分析 83.4FTA分析 113.5FMECA分析 134总结 144.1工作总结 144.2学习总结 141引言RAMCommander软件介绍RAMCommander是一款能为专业人士提供独特的、准确的、方便的计算分析工具专业的可靠性、安全性软件。它是由世界著名可靠性与质量保证、咨询和软件开发公司ALD开发的一款可靠性与安全性分析软件。ALD公司开发的可靠性、维修性、测试性、综合后勤保障和安全攸关软件包是目前世界上可靠性与质量领域中最优秀的工具之一。ALD软件在全球一百多个国家内的通信、航空、航天、船舶、电子、汽车和轨道交通等行业都得到了广泛应用，尤其在国防领域的应用特别成功。本文所使用的RAMCommander亦是如此，可应用于电子、机械、机电各领域与可靠性相关的工程项目的各个层面。。RAMCommander(可靠性、可用性、维修性预计和分析)是将ARP4761、FAR25(1309)、IEC62278和IEC61508集成起来，是集成的32位单机版/网络版Windows软件包，可用于：系统结构定义和图形化表示、可靠性，可用性和维修性预计、依据用户定义的复杂度系数进行可靠性和维修性分配、依照任务剖面定义，比如工作和非工作阶段的环境、温度和持续时间，进行可靠性和维修性参数的权衡和优化、使用图形界面创建、维护和评估功能的可靠性框图、对图形表示的系统配置进行可靠性和可用性评估、降额准则定义和和过应力元器件分析、备件数量评估和优化、故障模式和影响危害度分析(FMECA)、测试性分析、过程和设计FMEA、故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）、马尔科夫链、安全性分析（FHA、SSA、PHA、MMEL）、自动化数据验证和纠正、生成专业报告等。RAMCommander具有模块化的结构，便于用户根据需求选择合适的应用模块。RAMCommander软件模块包括：1、可靠性、维修性：开发人员根据MIL472标准，集成了维修性预计、以可靠性为中心的维修(RCM)、维修指导小组(MSG-3)、备件分析与优化、维修工程分析(MEA)、测试性分析等模块。2、RBD（可靠性框图分析）：根据MIL217、GJB299C、Siemens这些标准，还有马尔科夫模型、威布尔分析、降额分析、任务剖面分析、可靠性预计与分配等模块，通过这些模块可以对系统进行可靠性分析。3、故障树（FTA）、事件树（ETA）、安全性评估、备件优化、降额、FMECA&测试性分析、工艺&过程FMEA等。除此之外，RAMCommander为用户提供了简单而且方便的接口、支持多种数据的导入、结果往往以图和表的形式呈现给用户、报告的输出支持多种形式（HTML、RTF、Text）。1.2诺基亚手机背景介绍NOKIA公司创建于1865年，创始人弗雷德里克•艾德斯坦，因地点位于芬兰的“诺基亚河”沿岸而得名。但诺基亚真正的发展始于1992年，在此之前，诺基亚公司主要致力于造纸、橡胶、电缆等传统行业。直到1992年，诺基亚公司才向计算机、电子消费品和电信等高科技领域转型。移动电话即手机的迅速发展是伴随着1981年北欧移动电话服务网络开通而进行的，诺基亚（当时叫Mobira）第一台NMT450移动电话Senator是于1982年生产的。随后开发的MobiraTalkman，是当时最先进的产品。该产品在北欧移动电话网市场中一炮打响，并为诺基亚开拓了包括英国和美国在内的新市场。二十世纪八十年代末，随着欧洲市场的逐渐统一，欧洲邮电、电话、电报咨询委员会决定制定移动电话业的统一标准（即全球通——全球移动电话通讯体系），并以数字技术推广。从一开始诺基亚就一直是全球通技术的主要开发商，首次全球通对话就是用诺基亚电话，于1991年通过芬兰诺基亚Radiolinja网络进行的。全球通技术为诺基亚在全球的拓展奠定了基础。诺基亚可以说是直板手机之父。手机是面向大众的，它的性能人性化、价格大众化。当初，诺基亚手机给人的感觉就是耐摔、待机时间长、质量稳定。但是缺点也就爆发出来了，市场调查发现，NOKIA的手机像素不高，跟不上时代的潮流。随后NOKIA研发部门马上分组，一部门继续保留原先的大众化路线，另一部分开始研发符合时代潮流的新款手机。7610的出台并且一路走红，标志着这个决策的巨大成功。7610是NOKIA发展史上一个里程碑，它是NOKIA第一款百万像素的手机，更是让人惊叹NOKIA的非对称设计，造就非对称设计理念这一现象，并且键盘是采用大小不同的排列，让人感觉眼前一亮，但是NOKIA也考虑到7610并不一定适合市场需要，随后又出台6670，这款手机和7610功能完全一样，只是走回了比较保守的款式，可以适合别的人群使用，体现出NOKIA的人性化理念。随后N机的出台使得NOKIA又上了一个高度，它现在稳做手机老大的宝座。从6131出台以后使得NOKIA设计思路又上了一个档次，1600万色的屏幕，音乐格式全都支持，音乐效果极其出色，可以真的做到手机，音乐，照相一体化。诺基亚曾一度是移动通信的全球领先者。凭借经验丰富、创新、用户友好以及可靠的解决方案，诺基亚已成为移动电话的领先供应商，同时也是移动、固定宽带和IP网络的领先供应商之一。通过将移动性和互联网的有机结合，诺基亚不仅为企业创造了更多的商业机会，也使人们的日常生活更加丰富多彩。2008年诺基亚入选世界品牌价值实验室编制的《中国购买者满意度第一品牌》，排名第十。尽管目前来看，诺亚基手机的领先地位已经不复存在，但是它的部分机型手机仍然为人们普遍使用，纵观诺基亚的整个发展史，它对移动产品市场的推动和发展以及所发挥的巨大作用是不容忽视的。那么，本文则主要研究分析一下曾给人们带来诸多欢乐和便利的诺基亚手机的可靠性问题。2产品可靠性分析的基本概念2.1产品的可靠性定义产品的可靠性就是在规定的条件下在规定的时间内产品完成规定功能的能力。产品可靠性定义包括下列四要素：(1)规定的时间(2)规定的环境和使用条件(3)规定的任务和功能(4)具体的可靠性指标值对于一个具体的产品应按上述各点分别给予具体的明确的定义。2.2确定环境和使用条件产品的环境条件主要是执行任务所遇到的环境条件，但同时必须注意到运输贮存以及工艺过程中引入的环境影响。环境中最重要的因素是温度除温度之外的其他使用环境，一般与产品使用的场合有关。环境等级也可按使用场合进行划分地面条件良好、车载、舰船等等。在可靠性技术中必须强调环境的影响。因为同样的产品在不同的温度和环境条件下运行时其可靠性是不同的。良好环境的失效率与恶劣环境的失效率差30~50倍。在设计时应明确产品的运用温度和使用环境，便于设计上进行这方面的考虑；也为对设计进行可靠性预计时选取元器件在不同温度和环境等级证的失效率数据的需要。2.3规定的任务和功能产品完成预定的任务决定于其各种功能的完成。对于具有单一功能的简单产品其无故障工作的定义比较好办。对于具有多种功能的复杂产品其无故障工作的定义必须进行细致的分析才能作出。则某型号手机的可靠性指此手机在规定条件下（温度应力、电应力、机械应力、生物化学腐蚀等情况下）能够完成通话功能的能力。而对通话这种功能和保证又涉及到其主要技术指标的满足和完成上述功能有关的组件的正常工作。根据对各组件的故障模式和影响的分析可进一步规定各组件的性能指标的可接受范围，各组件正常工作的条件，最后给出无故障工作的具体定义。同样根据不可接受的指标范围而给出故障的定义。综述：可靠性的根本目的是对系统在完成相关功能过程（任务剖面）中的电应力、温度应力、机械应力进行综合评估，找到关键件和重要件，优化系统的性能参数，并最终达到提升系统可靠性的目的。可靠性不是一成不变的而是具体的，我们谈论可靠性的时候一定要结合系统的功能和相关的应力条件。单纯的谈论可靠性是无意义的。我们可以这样理解：当产品被设计并生产出来后，它的使用价值（性能）已经确定了，从器件的生产、组装、出厂、运输、仓储、使用的全过程都对产品的性能造成一定程度的损耗。我们需要给出产品交付用户使用时的可靠性，即此时产品的性能在规定时间、规定使用条件能否满足规定功能，并以相应的量化参数指标交付给客户。以下以诺基亚某型号手机为例，简要介绍可靠性分析的内容、方法和流程，以下的例子器件的类型和型号及可靠性数据仅做参考。3诺基亚手机可靠性分析3.1建立产品树所谓建立产品树，就是将主系统分解到它所包含的系统，子系统和元器件，定义所需要的参数，例如环境条件，部件名称，种类和数量。对一个产品进行可靠性分析，那么首先，我们要对产品的构成及各部分组件有一个直观的了解，包含子系统到模块甚至元器件的详细信息，即对研究对象建立产品树或者说是元件列表，进而方便我们对产品的每一层次结构和相互间的影响进行分析。下图是某型号诺基亚手机的内部结构图。图1本文主要研究的是诺基亚手机的可靠性问题。它主要受地面移动和周围温度这两个环境条件影响。分析的目的是获得系统的平均使用寿命，故障率等一些指标的数值。诺基亚手机主要包含三个集成电路数字芯片，一个集成电路存储元件，二十五个包含两种数值的电阻，十一个包含两种不同数值的电容以及十二个开关，一个光电变容二极管，一个供电电池和天线。对诺基亚手机建立产品树，将其分为三个部分，依次为电子产品，输入和输出部分以及其它部分。除电池和天线被放入其它，以及光电二极管和开关放入输入和输出部分，其余的部件全都列入到电子产品之中。这样，我们就可以通过对每一个元部件的分析，得知他们所构成的子系统的可靠性及故障率，由下至上，最终得出整个手机的可靠度，平均使用寿命等等，在此基础上我们才能挖掘和确定出产品的故障隐患和薄弱环节，对产品进行优化设计和提出改进措施，将产品的故障及所引起的损失降低到最小。下图是我们所建立的产品树。图23.2Operating分析我们将分别从对所有元部件和子系统两个方面应用帕累托来对音频放大适配器的可靠性进行分析。图3和图4分别是对项目所有元部件和子系统进行帕累托分析后得出的结果。我们可以看出，在所有的元器件中，开关对系统可靠性的影响是尤为突出的。其次是天线和电池，而一些基础性的电子元件对系统可靠性的影响并不十分明显。而在图2所分析的子系统中，我们可以得到相似的结论。并且我们可以看出，子系统元件的故障之和基本上等于子系统的故障率。因而我们对这些元器件的故障率进行分析时，它们的模型之间是串联的关系，也即基本可靠性分析。我们要将基本可靠性与任务可靠性分析区别开来，基本可靠性指得是产品无故障工作的能力，而任务可靠性指的是产品完成其规定功能的能力。在对每个产品进行分析时，我们首先要了解的是产品的基本可靠性，知道产品在最坏情况下的工作寿命。图3图4图5图5表格中的数据是对系统每一个元器件进行帕累托分析后得出的几项指标数值，分别是总的故障率，单个元件的故障贡献率和累积贡献率。我们可以看出，尽管天线及其它元器件的累积故障率很高，但是总的故障率相比开关来讲却要小很多，这充分说明了开关在整个音频放大适配器电路中的重要地位，处于主导作用，所以在成本等其它条件可接受的范围内一定要选用高质量高稳定性的开关元件。而对于电阻，电容，光电二极管，以及存储器芯片等只要选用通用的质量较好的即可。尽管电池的故障率要比天线的略低，并且比开关的故障率低很多，但是电池作为供电电源，为整个电路提供能量，如果它的性能不好，很可能会对整个电路产生不利的影响，例如工作时间受限，电流过低无法正常放大信号等等。所以我们也要能力条件允许的情况下选用良好性能的电池，避免尽可能的不必要错误的产生。在进行可靠性分析时，我们除了要依据已有的数据，还要结合平时生活工作中学习到的经验，将二者有机结合起来，尽可能的防止可预知故障的发生，同时将不可预知的故障减小到最低的程度。下图是一个关于诺基亚手机应用价值的报告，从图中，我们可以详细地看出各个元器件所采用的类型，具体的管脚等信息。整个电路所采用的CMOS工艺，U1，U2和U3共同作为电路的微处理器部分，引脚数不完全相同，生产使用的时间一致。而U4存储器采用的是八位的PROM，有35个引脚。他们的功耗相同，都是0.25。从后面两个表格中，我们也可以看到无源器件的具体参数，电阻和电容数值的大小，所使用的器件类型，以及电压要求等等。图6整个可靠性工程可以分为企划，设计，生产，验证，维修等各阶段，最重要也是最关键的阶段就是设计阶段。试验和管理同样重要，无论是设计分析还是数据收集都需要有计划有组织的管理，才能保证其有效实施。3.3RBD分析可靠性框图（RBD）是用一种图形的方式显示了系统所有成功或故障的组合，因此系统的可靠性框图显示了系统、子系统和部件的逻辑关系。基本可靠性模型是用以估计产品及其组成单元可能发生的故障引起的维修以及保障要求的可靠性模型。可以看到，该模型是对系统每个单元发生故障都进行考虑维修，故其是一个大的串联模型，即使是冗余单元，也都按照串联处理。明显的，贮备单元越多，系统的基本可靠性越低。根据可靠性框图我们可以计算系统的MTBCF等，对系统进行裕度设计。根据在Operating分析界面中对系统的划分，在RBD的分析中，建立的电子元器件部分的可靠性框图如图7所示：图7根据我们建立的可靠性框图及每个子模块的故障率，我们可以得到系统电子产品部分的可靠性及MFHBF、MCSP、MTBM等从最终用户的角度来评价产品可靠性水平的参数指标。基于系统电子产品的设计及每个子模块的参数设定，得到该部分的可靠性曲线如图8所示，同时我们得到该部分的严重故障平均时间间隔为：MTBCF=487854.13hours图8同样，建立的输入输出部分的可靠性框图如图9所示：图9得到该部分的可靠性曲线如图10所示，同时我们得到该部分的严重故障平均时间间隔为：MTBCF=259885.95hours图10最后，建立的其它部分的可靠性框图如图11所示：图11得到该部分的可靠性曲线如图12所示，同时我们得到该部分的严重故障平均时间间隔为：MTBCF=93057.29hours图12将系统的三部分串联，建立整个系统的可靠性框图如图13所示：图13得到该部分的可靠性曲线如图14所示，同时我们得到该部分的严重故障平均时间间隔为：MTBCF=16650.25hours图14可以看出，随着时间的推移，诺基亚手机系统的可靠性逐渐降低，但我们可以根据这条曲线求出系统的平均寿命时间。3.4FTA分析故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)技术采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。FTA分析主要由三部分组成：建树、定性分析、定量计算。其中建树是FTA的基础及关键。故障树分析法具有以下一些特点：它是一种从系统到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。它从系统开始，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析故障事件（又称顶端事件）发生的概率。同时也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响，其中包括人为因素和环境条件等在内。它对系统故障不但可以做定性的而且还可以做定量的分析；不仅可以分析由单一构件所引起的系统故障，而且也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况。因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，因此，不论是设计人员或是使用和维修人员都容易掌握和运用，并且由它可派生出其他专门用途的“树”。例如，可以绘制出专用于研究维修问题的维修树，用于研究经济效益及方案比较的决策树等。FTA和RBD最基本的区别在于RBD工作在"成功的空间"，从而系统看上去是成功的集合，然而，故障树图工作在"故障空间"并且系统看起来是故障的集合。我们可以根据RBD中定义的可靠性框图，对系统进行故障分析，可以得到系统故障树，如图15所示：图15生成的最小割集如图16所示：图16最小割集的报告如图17所示：图17同时可以得到不可用度曲线如图18所示：图183.5FMECA分析故障模式影响分析（FailureModeEffectsAnalysis,FMEA）是在产品的设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可以采取的预防改进措施，以提高产品可靠性、安全性的一种设计分析方法。故障模式影响及危害性分析（FMECA）是在FMEA的基础上，判断这种故障的致命程度有多大，并把每一个潜在的故障模式的后果按它的严酷程度分类，分析其危害程度有多大。FMECA的目的是从产品设计（功能设计、硬件设计、软件设计）、生产（生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用）和使用发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。FMECA的作用主要有以下几点：1、保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障模式及其影响，进而采取相应的措施。2、为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。3、为可靠性（R）、维修性（M）、安全性（S）、测试性（T）和保障性（S）工作提供一种定性依据。4、为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。5、可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。图19和图20分别为该手机系统的FMEA报告和危急程度分析。图19图204总结4.1工作总结本次基于RAMCommander的诺基亚手机可靠性分析大作业我们主要完成了以下工作：1、对RAMCommander软件的了解、学习与使用；2、对诺基亚手机产品背景资料的查阅与掌握；3、对产品可靠性分析的相关内容进行深入学习，明确后续工作的开展；4、对诺基亚手机可靠性进行实际分析并给出报告。4.2小组成员学习总结通过《系统可靠性设计与分析》这门课程的学习以及本次完成基于RAMCommander的诺基亚手机可靠性分析的大作业，让我对可靠性设计与分析这一全新的领域有了较为深入的认识与了解。可靠性是一门学科，它涉及的范围广泛，是一门综合了系统工程、管理工程、价值工程、人机工程、电子计算机技术、产品测试技术以及概率、统计、运筹、物理等多种学科成果的应用科学。可靠性工程起源于军事领域，经过半个多世纪的迅速发展，现在已成为涉及面非常广的综合性学科。可靠性在实际当中有着极其重要的作用。对于产品来说，可靠性问题和人身安全、经济效益密切相关。因此，研究产品的可靠性问题，显得十分重要，非常迫切。提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生，尤其避免灾难性的事故发生，从而保证人民生命财产安全；可以使产品总的费用降低；可以减少停机时间，提高产品可用率，一台设备可以顶几台设备的工作效率；对于企业来讲，提高产品的可靠性可以改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高经济效益；还可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其它处理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失。RAMCommander是一款十分强大的可靠性与安全性分析软件