系統(tǒng)可靠性設計與分析大作業(yè)

《系統(tǒng)可靠性設計與分析》大作業(yè)NOKIA手機的可靠性分析學院：電子信息工程學院組長：丁瑩14120230組員：盛昕禹14120024周錦洪14120311日期：2015年5月25日指導教師：劉中田目錄1引言 21.1 RAMCommander軟件介紹 21.2諾基亞手機背景介紹 22產品可靠性分析的基本概念 32.1產品的可靠性定義 32.2確定環(huán)境和使用條件 42.3規(guī)定的任務和功能 43諾基亞手機可靠性分析 43.1建立產品樹 43.2Operating分析 63.3RBD分析 83.4FTA分析 113.5FMECA分析 134總結 144.1工作總結 144.2學習總結 141引言RAMCommander軟件介紹RAMCommander是一款能為專業(yè)人士提供獨特的、準確的、方便的計算分析工具專業(yè)的可靠性、安全性軟件。它是由世界著名可靠性與質量保證、咨詢和軟件開發(fā)公司ALD開發(fā)的一款可靠性與安全性分析軟件。ALD公司開發(fā)的可靠性、維修性、測試性、綜合后勤保障和安全攸關軟件包是目前世界上可靠性與質量領域中最優(yōu)秀的工具之一。ALD軟件在全球一百多個國家內的通信、航空、航天、船舶、電子、汽車和軌道交通等行業(yè)都得到了廣泛應用，尤其在國防領域的應用特別成功。本文所使用的RAMCommander亦是如此，可應用于電子、機械、機電各領域與可靠性相關的工程項目的各個層面。。RAMCommander(可靠性、可用性、維修性預計和分析)是將ARP4761、FAR25(1309)、IEC62278和IEC61508集成起來，是集成的32位單機版/網絡版Windows軟件包，可用于：系統(tǒng)結構定義和圖形化表示、可靠性，可用性和維修性預計、依據用戶定義的復雜度系數進行可靠性和維修性分配、依照任務剖面定義，比如工作和非工作階段的環(huán)境、溫度和持續(xù)時間，進行可靠性和維修性參數的權衡和優(yōu)化、使用圖形界面創(chuàng)建、維護和評估功能的可靠性框圖、對圖形表示的系統(tǒng)配置進行可靠性和可用性評估、降額準則定義和和過應力元器件分析、備件數量評估和優(yōu)化、故障模式和影響危害度分析(FMECA)、測試性分析、過程和設計FMEA、故障樹分析（FTA）、事件樹分析（ETA）、馬爾科夫鏈、安全性分析（FHA、SSA、PHA、MMEL）、自動化數據驗證和糾正、生成專業(yè)報告等。RAMCommander具有模塊化的結構，便于用戶根據需求選擇合適的應用模塊。RAMCommander軟件模塊包括：1、可靠性、維修性：開發(fā)人員根據MIL472標準，集成了維修性預計、以可靠性為中心的維修(RCM)、維修指導小組(MSG-3)、備件分析與優(yōu)化、維修工程分析(MEA)、測試性分析等模塊。2、RBD（可靠性框圖分析）：根據MIL217、GJB299C、Siemens這些標準，還有馬爾科夫模型、威布爾分析、降額分析、任務剖面分析、可靠性預計與分配等模塊，通過這些模塊可以對系統(tǒng)進行可靠性分析。3、故障樹（FTA）、事件樹（ETA）、安全性評估、備件優(yōu)化、降額、FMECA&測試性分析、工藝&過程FMEA等。除此之外，RAMCommander為用戶提供了簡單而且方便的接口、支持多種數據的導入、結果往往以圖和表的形式呈現(xiàn)給用戶、報告的輸出支持多種形式（HTML、RTF、Text）。1.2諾基亞手機背景介紹NOKIA公司創(chuàng)建于1865年，創(chuàng)始人弗雷德里克?艾德斯坦，因地點位于芬蘭的“諾基亞河”沿岸而得名。但諾基亞真正的發(fā)展始于1992年，在此之前，諾基亞公司主要致力于造紙、橡膠、電纜等傳統(tǒng)行業(yè)。直到1992年，諾基亞公司才向計算機、電子消費品和電信等高科技領域轉型。移動電話即手機的迅速發(fā)展是伴隨著1981年北歐移動電話服務網絡開通而進行的，諾基亞（當時叫Mobira）第一臺NMT450移動電話Senator是于1982年生產的。隨后開發(fā)的MobiraTalkman，是當時最先進的產品。該產品在北歐移動電話網市場中一炮打響，并為諾基亞開拓了包括英國和美國在內的新市場。二十世紀八十年代末，隨著歐洲市場的逐漸統(tǒng)一，歐洲郵電、電話、電報咨詢委員會決定制定移動電話業(yè)的統(tǒng)一標準（即全球通——全球移動電話通訊體系），并以數字技術推廣。從一開始諾基亞就一直是全球通技術的主要開發(fā)商，首次全球通對話就是用諾基亞電話，于1991年通過芬蘭諾基亞Radiolinja網絡進行的。全球通技術為諾基亞在全球的拓展奠定了基礎。諾基亞可以說是直板手機之父。手機是面向大眾的，它的性能人性化、價格大眾化。當初，諾基亞手機給人的感覺就是耐摔、待機時間長、質量穩(wěn)定。但是缺點也就爆發(fā)出來了，市場調查發(fā)現(xiàn)，NOKIA的手機像素不高，跟不上時代的潮流。隨后NOKIA研發(fā)部門馬上分組，一部門繼續(xù)保留原先的大眾化路線，另一部分開始研發(fā)符合時代潮流的新款手機。7610的出臺并且一路走紅，標志著這個決策的巨大成功。7610是NOKIA發(fā)展史上一個里程碑，它是NOKIA第一款百萬像素的手機，更是讓人驚嘆NOKIA的非對稱設計，造就非對稱設計理念這一現(xiàn)象，并且鍵盤是采用大小不同的排列，讓人感覺眼前一亮，但是NOKIA也考慮到7610并不一定適合市場需要，隨后又出臺6670，這款手機和7610功能完全一樣，只是走回了比較保守的款式，可以適合別的人群使用，體現(xiàn)出NOKIA的人性化理念。隨后N機的出臺使得NOKIA又上了一個高度，它現(xiàn)在穩(wěn)做手機老大的寶座。從6131出臺以后使得NOKIA設計思路又上了一個檔次，1600萬色的屏幕，音樂格式全都支持，音樂效果極其出色，可以真的做到手機，音樂，照相一體化。諾基亞曾一度是移動通信的全球領先者。憑借經驗豐富、創(chuàng)新、用戶友好以及可靠的解決方案，諾基亞已成為移動電話的領先供應商，同時也是移動、固定寬帶和IP網絡的領先供應商之一。通過將移動性和互聯(lián)網的有機結合，諾基亞不僅為企業(yè)創(chuàng)造了更多的商業(yè)機會，也使人們的日常生活更加豐富多彩。2008年諾基亞入選世界品牌價值實驗室編制的《中國購買者滿意度第一品牌》，排名第十。盡管目前來看，諾亞基手機的領先地位已經不復存在，但是它的部分機型手機仍然為人們普遍使用，縱觀諾基亞的整個發(fā)展史，它對移動產品市場的推動和發(fā)展以及所發(fā)揮的巨大作用是不容忽視的。那么，本文則主要研究分析一下曾給人們帶來諸多歡樂和便利的諾基亞手機的可靠性問題。2產品可靠性分析的基本概念2.1產品的可靠性定義產品的可靠性就是在規(guī)定的條件下在規(guī)定的時間內產品完成規(guī)定功能的能力。產品可靠性定義包括下列四要素：(1)規(guī)定的時間(2)規(guī)定的環(huán)境和使用條件(3)規(guī)定的任務和功能(4)具體的可靠性指標值對于一個具體的產品應按上述各點分別給予具體的明確的定義。2.2確定環(huán)境和使用條件產品的環(huán)境條件主要是執(zhí)行任務所遇到的環(huán)境條件，但同時必須注意到運輸貯存以及工藝過程中引入的環(huán)境影響。環(huán)境中最重要的因素是溫度除溫度之外的其他使用環(huán)境，一般與產品使用的場合有關。環(huán)境等級也可按使用場合進行劃分地面條件良好、車載、艦船等等。在可靠性技術中必須強調環(huán)境的影響。因為同樣的產品在不同的溫度和環(huán)境條件下運行時其可靠性是不同的。良好環(huán)境的失效率與惡劣環(huán)境的失效率差30~50倍。在設計時應明確產品的運用溫度和使用環(huán)境，便于設計上進行這方面的考慮；也為對設計進行可靠性預計時選取元器件在不同溫度和環(huán)境等級證的失效率數據的需要。2.3規(guī)定的任務和功能產品完成預定的任務決定于其各種功能的完成。對于具有單一功能的簡單產品其無故障工作的定義比較好辦。對于具有多種功能的復雜產品其無故障工作的定義必須進行細致的分析才能作出。則某型號手機的可靠性指此手機在規(guī)定條件下（溫度應力、電應力、機械應力、生物化學腐蝕等情況下）能夠完成通話功能的能力。而對通話這種功能和保證又涉及到其主要技術指標的滿足和完成上述功能有關的組件的正常工作。根據對各組件的故障模式和影響的分析可進一步規(guī)定各組件的性能指標的可接受范圍，各組件正常工作的條件，最后給出無故障工作的具體定義。同樣根據不可接受的指標范圍而給出故障的定義。綜述：可靠性的根本目的是對系統(tǒng)在完成相關功能過程（任務剖面）中的電應力、溫度應力、機械應力進行綜合評估，找到關鍵件和重要件，優(yōu)化系統(tǒng)的性能參數，并最終達到提升系統(tǒng)可靠性的目的。可靠性不是一成不變的而是具體的，我們談論可靠性的時候一定要結合系統(tǒng)的功能和相關的應力條件。單純的談論可靠性是無意義的。我們可以這樣理解：當產品被設計并生產出來后，它的使用價值（性能）已經確定了，從器件的生產、組裝、出廠、運輸、倉儲、使用的全過程都對產品的性能造成一定程度的損耗。我們需要給出產品交付用戶使用時的可靠性，即此時產品的性能在規(guī)定時間、規(guī)定使用條件能否滿足規(guī)定功能，并以相應的量化參數指標交付給客戶。以下以諾基亞某型號手機為例，簡要介紹可靠性分析的內容、方法和流程，以下的例子器件的類型和型號及可靠性數據僅做參考。3諾基亞手機可靠性分析3.1建立產品樹所謂建立產品樹，就是將主系統(tǒng)分解到它所包含的系統(tǒng)，子系統(tǒng)和元器件，定義所需要的參數，例如環(huán)境條件，部件名稱，種類和數量。對一個產品進行可靠性分析，那么首先，我們要對產品的構成及各部分組件有一個直觀的了解，包含子系統(tǒng)到模塊甚至元器件的詳細信息，即對研究對象建立產品樹或者說是元件列表，進而方便我們對產品的每一層次結構和相互間的影響進行分析。下圖是某型號諾基亞手機的內部結構圖。圖1本文主要研究的是諾基亞手機的可靠性問題。它主要受地面移動和周圍溫度這兩個環(huán)境條件影響。分析的目的是獲得系統(tǒng)的平均使用壽命，故障率等一些指標的數值。諾基亞手機主要包含三個集成電路數字芯片，一個集成電路存儲元件，二十五個包含兩種數值的電阻，十一個包含兩種不同數值的電容以及十二個開關，一個光電變容二極管，一個供電電池和天線。對諾基亞手機建立產品樹，將其分為三個部分，依次為電子產品，輸入和輸出部分以及其它部分。除電池和天線被放入其它，以及光電二極管和開關放入輸入和輸出部分，其余的部件全都列入到電子產品之中。這樣，我們就可以通過對每一個元部件的分析，得知他們所構成的子系統(tǒng)的可靠性及故障率，由下至上，最終得出整個手機的可靠度，平均使用壽命等等，在此基礎上我們才能挖掘和確定出產品的故障隱患和薄弱環(huán)節(jié)，對產品進行優(yōu)化設計和提出改進措施，將產品的故障及所引起的損失降低到最小。下圖是我們所建立的產品樹。圖23.2Operating分析我們將分別從對所有元部件和子系統(tǒng)兩個方面應用帕累托來對音頻放大適配器的可靠性進行分析。圖3和圖4分別是對項目所有元部件和子系統(tǒng)進行帕累托分析后得出的結果。我們可以看出，在所有的元器件中，開關對系統(tǒng)可靠性的影響是尤為突出的。其次是天線和電池，而一些基礎性的電子元件對系統(tǒng)可靠性的影響并不十分明顯。而在圖2所分析的子系統(tǒng)中，我們可以得到相似的結論。并且我們可以看出，子系統(tǒng)元件的故障之和基本上等于子系統(tǒng)的故障率。因而我們對這些元器件的故障率進行分析時，它們的模型之間是串聯(lián)的關系，也即基本可靠性分析。我們要將基本可靠性與任務可靠性分析區(qū)別開來，基本可靠性指得是產品無故障工作的能力，而任務可靠性指的是產品完成其規(guī)定功能的能力。在對每個產品進行分析時，我們首先要了解的是產品的基本可靠性，知道產品在最壞情況下的工作壽命。圖3圖4圖5圖5表格中的數據是對系統(tǒng)每一個元器件進行帕累托分析后得出的幾項指標數值，分別是總的故障率，單個元件的故障貢獻率和累積貢獻率。我們可以看出，盡管天線及其它元器件的累積故障率很高，但是總的故障率相比開關來講卻要小很多，這充分說明了開關在整個音頻放大適配器電路中的重要地位，處于主導作用，所以在成本等其它條件可接受的范圍內一定要選用高質量高穩(wěn)定性的開關元件。而對于電阻，電容，光電二極管，以及存儲器芯片等只要選用通用的質量較好的即可。盡管電池的故障率要比天線的略低，并且比開關的故障率低很多，但是電池作為供電電源，為整個電路提供能量，如果它的性能不好，很可能會對整個電路產生不利的影響，例如工作時間受限，電流過低無法正常放大信號等等。所以我們也要能力條件允許的情況下選用良好性能的電池，避免盡可能的不必要錯誤的產生。在進行可靠性分析時，我們除了要依據已有的數據，還要結合平時生活工作中學習到的經驗，將二者有機結合起來，盡可能的防止可預知故障的發(fā)生，同時將不可預知的故障減小到最低的程度。下圖是一個關于諾基亞手機應用價值的報告，從圖中，我們可以詳細地看出各個元器件所采用的類型，具體的管腳等信息。整個電路所采用的CMOS工藝，U1，U2和U3共同作為電路的微處理器部分，引腳數不完全相同，生產使用的時間一致。而U4存儲器采用的是八位的PROM，有35個引腳。他們的功耗相同，都是0.25。從后面兩個表格中，我們也可以看到無源器件的具體參數，電阻和電容數值的大小，所使用的器件類型，以及電壓要求等等。圖6整個可靠性工程可以分為企劃，設計，生產，驗證，維修等各階段，最重要也是最關鍵的階段就是設計階段。試驗和管理同樣重要，無論是設計分析還是數據收集都需要有計劃有組織的管理，才能保證其有效實施。3.3RBD分析可靠性框圖（RBD）是用一種圖形的方式顯示了系統(tǒng)所有成功或故障的組合，因此系統(tǒng)的可靠性框圖顯示了系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件的邏輯關系。基本可靠性模型是用以估計產品及其組成單元可能發(fā)生的故障引起的維修以及保障要求的可靠性模型。可以看到，該模型是對系統(tǒng)每個單元發(fā)生故障都進行考慮維修，故其是一個大的串聯(lián)模型，即使是冗余單元，也都按照串聯(lián)處理。明顯的，貯備單元越多，系統(tǒng)的基本可靠性越低。根據可靠性框圖我們可以計算系統(tǒng)的MTBCF等，對系統(tǒng)進行裕度設計。根據在Operating分析界面中對系統(tǒng)的劃分，在RBD的分析中，建立的電子元器件部分的可靠性框圖如圖7所示：圖7根據我們建立的可靠性框圖及每個子模塊的故障率，我們可以得到系統(tǒng)電子產品部分的可靠性及MFHBF、MCSP、MTBM等從最終用戶的角度來評價產品可靠性水平的參數指標?；谙到y(tǒng)電子產品的設計及每個子模塊的參數設定，得到該部分的可靠性曲線如圖8所示，同時我們得到該部分的嚴重故障平均時間間隔為：MTBCF=487854.13hours圖8同樣，建立的輸入輸出部分的可靠性框圖如圖9所示：圖9得到該部分的可靠性曲線如圖10所示，同時我們得到該部分的嚴重故障平均時間間隔為：MTBCF=259885.95hours圖10最后，建立的其它部分的可靠性框圖如圖11所示：圖11得到該部分的可靠性曲線如圖12所示，同時我們得到該部分的嚴重故障平均時間間隔為：MTBCF=93057.29hours圖12將系統(tǒng)的三部分串聯(lián)，建立整個系統(tǒng)的可靠性框圖如圖13所示：圖13得到該部分的可靠性曲線如圖14所示，同時我們得到該部分的嚴重故障平均時間間隔為：MTBCF=16650.25hours圖14可以看出，隨著時間的推移，諾基亞手機系統(tǒng)的可靠性逐漸降低，但我們可以根據這條曲線求出系統(tǒng)的平均壽命時間。3.4FTA分析故障樹分析(FaultTreeAnalysis，F(xiàn)TA)技術采用邏輯的方法，形象地進行危險的分析工作，特點是直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，可以做定性分析，也可以做定量分析。體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準確性和預測性，它是安全系統(tǒng)工程的主要分析方法之一。FTA分析主要由三部分組成：建樹、定性分析、定量計算。其中建樹是FTA的基礎及關鍵。故障樹分析法具有以下一些特點：它是一種從系統(tǒng)到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。它從系統(tǒng)開始，通過由邏輯符號繪制出的一個逐漸展開成樹狀的分枝圖，來分析故障事件（又稱頂端事件）發(fā)生的概率。同時也可以用來分析零件、部件或子系統(tǒng)故障對系統(tǒng)故障的影響，其中包括人為因素和環(huán)境條件等在內。它對系統(tǒng)故障不但可以做定性的而且還可以做定量的分析；不僅可以分析由單一構件所引起的系統(tǒng)故障，而且也可以分析多個構件不同模式故障而產生的系統(tǒng)故障情況。因為故障樹分析法使用的是一個邏輯圖，因此，不論是設計人員或是使用和維修人員都容易掌握和運用，并且由它可派生出其他專門用途的“樹”。例如，可以繪制出專用于研究維修問題的維修樹，用于研究經濟效益及方案比較的決策樹等。FTA和RBD最基本的區(qū)別在于RBD工作在"成功的空間"，從而系統(tǒng)看上去是成功的集合，然而，故障樹圖工作在"故障空間"并且系統(tǒng)看起來是故障的集合。我們可以根據RBD中定義的可靠性框圖，對系統(tǒng)進行故障分析，可以得到系統(tǒng)故障樹，如圖15所示：圖15生成的最小割集如圖16所示：圖16最小割集的報告如圖17所示：圖17同時可以得到不可用度曲線如圖18所示：圖183.5FMECA分析故障模式影響分析（FailureModeEffectsAnalysis,FMEA）是在產品的設計過程中，通過對產品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產品功能的影響進行分析，提出可以采取的預防改進措施，以提高產品可靠性、安全性的一種設計分析方法。故障模式影響及危害性分析（FMECA）是在FMEA的基礎上，判斷這種故障的致命程度有多大，并把每一個潛在的故障模式的后果按它的嚴酷程度分類，分析其危害程度有多大。FMECA的目的是從產品設計（功能設計、硬件設計、軟件設計）、生產（生產可行性分析、工藝設計、生產設備設計與使用）和使用發(fā)現(xiàn)各種影響產品可靠性的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，為提高產品的質量和可靠性水平提供改進依據。FMECA的作用主要有以下幾點：1、保證有組織地定性找出系統(tǒng)的所有可能的故障模式及其影響，進而采取相應的措施。2、為制定關鍵項目和單點故障等清單或可靠性控制計劃提供定性依據。3、為可靠性（R）、維修性（M）、安全性（S）、測試性（T）和保障性（S）工作提供一種定性依據。4、為確定需要重點控制質量及工藝的薄弱環(huán)節(jié)清單提供定性信息。5、可及早發(fā)現(xiàn)設計、工藝中的各種缺陷。圖19和圖20分別為該手機系統(tǒng)的FMEA報告和危急程度分析。圖19圖204總結4.1工作總結本次基于RAMCommander的諾基亞手機可靠性分析大作業(yè)我們主要完成了以下工作：1、對RAMCommander軟件的了解、學習與使用；2、對諾基亞手機產品背景資料的查閱與掌握；3、對產品可靠性分析的相關內容進行深入學習，明確后續(xù)工作的開展；4、對諾基亞手機可靠性進行實際分析并給出報告。4.2小組成員學習總結通過《系統(tǒng)可靠性設計與分析》這門課程的學習以及本次完成基于RAMCommander的諾基亞手機可靠性分析的大作業(yè)，讓我對可靠性設計與分析這一全新的領域有了較為深入的認識與了解。可靠性是一門學科，它涉及的范圍廣泛，是一門綜合了系統(tǒng)工程、管理工程、價值工程、人機工程、電子計算機技術、產品測試技術以及概率、統(tǒng)計、運籌、物理等多種學科成果的應用科學。可靠性工程起源于軍事領域，經過半個多世紀的迅速發(fā)展，現(xiàn)在已成為涉及面非常廣的綜合性學科。可靠性在實際當中有著極其重要的作用。對于產品來說，可靠性問題和人身安全、經濟效益密切相關。因此，研究產品的可靠性問題，顯得十分重要，非常迫切。提高產品的可靠性，可以防止故障和事故的發(fā)生，尤其避免災難性的事故發(fā)生，從而保證人民生命財產安全；可以使產品總的費用降低；可以減少停機時間，提高產品可用率，一臺設備可以頂幾臺設備的工作效率；對于企業(yè)來講，提高產品的可靠性可以改善企業(yè)信譽，增強競爭力，擴大產品銷路，從而提高經濟效益；還可以減少產品責任賠償案件的發(fā)生，以及其它處理產品事故費用的支出，避免不必要的經濟損失。RAMCommander是一款十分強大的可靠性與安全性分析軟件